JP2006330410A - 投写光学ユニット及びそれを用いた投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色合成手段および偏光分離手段を挿入するために充分なバックフォーカスを得つつ、ハイフォーカスを実現させるのに好適な技術を提供する。
【解決手段】
本発明の投写光学ユニットは、第１の拡大像を形成するための正の屈折力を持つ第１投写光学ユニット(ST1)と、該第１投写光学ユニットによって得られた第１の拡大像をさらに拡大して第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２投写光学ユニット(ST2)を有する。上記第１投写光学ユニットは、正の屈折率を持ちかつ非球面プラスチックレンズを少なくとも１枚含む第１レンズ群、負の屈折力を持つ第２レンズ群、及び正の屈折率を持つ第３レンズ群を含む。そしてこの第３レンズ群は、下記条件を満足する。
−９．０＜Ｆ／ｆ２＜−７．０
ただし、ｆ２は第２レンズ群全系の焦点距離、Ｆは前記第１投写光学ユニット全体の焦点距離である。
【選択図】図６

Description

本発明は、拡大画像をスクリーンに投影して画像表示を行なう投写光学ユニット、及びこれを用いた投写型映像表示装置に関する。

映像表示素子の映像を投写光学ユニットによってスクリーン上に拡大投写する映像表示装置においては、スクリーン上で充分な大きさの拡大映像を得つつ投写距離を短縮することが要求される。これを実現するために、例えば特許文献１〜３に記載されているように、スクリーンに対して斜め方向から拡大投写する構成の投写光学ユニットが知られている。

また、映像表示素子として用いられる液晶映像表示素子（液晶パネル）には、透過型と反射型がある。反射型は透過型に比べて液晶層を光が往復するので、液晶層の厚さを約半分にできるため、応答速度が速くなる。従って、反射型は透過型よりも動画性能に優れ、テレビ用途に好適である。また、反射型は、パネルサイズを一回り小さくできるなどの利点も有しており、テレビ用途としての投写型カラー映像表示装置への適用が期待されている。反射型液晶映像表示素子を用いた投写型カラー映像表示装置は、例えば特許文献４に記載されている。

特開平５−１３４２１３号公報 特開２０００−１６２５４４号公報 特開２００２−３５７７６８号公報 特開２００１−１４２０２８号公報

映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、投写映像に所謂台形歪みが生じる。これを解消するために、特許文献１に記載の投写光学ユニットでは、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を抑える構成としている。特許文献１に開示されたアフォーカルコンバータは、倍率が低いため広角化が困難である。また特許文献２に記載の投写光学ユニットを背面投写型映像表示装置に適用する場合、十分に薄型化できるほどの広角化は困難である。また、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困難となる。さらに特許文献３に記載の投写光学ユニットは、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とを有し、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困難となる。

一方、映像表示素子として例えば透過型液晶パネルを用いた従来の投写型カラー映像表示装置に使用される投写光学ユニットの課題としては、次のものが挙げられる。すなわち、セットのコンパクト化に必要な広画角化、パネルの高解像度化に対応したハイフォーカス化、及びパネルやカラー映像表示装置のダウンサイジング化に対応した高倍率化、である。

また、反射型液晶映像表示素子を３個用いた、いわゆる３板式の投写型カラー映像表示装置では、特許文献４の図１２に記載のように、反射型液晶映像表示素子への入射光と反射型液晶映像表示素子からの反射光が同じ光路を通る。このため、該入射光と反射光とを偏光作用を利用して分離する偏光分離手段、例えば、偏光子・検光子としての偏光ビームスプリッターが色合成プリズムの前に必要となる。従って、反射型の液晶映像表示素子を用いたセットは、透過型の液晶映像表示素子を用いた場合に比べ、バックフォーカスをより長くする必要がある。

しかし、投写光学ユニットにおいてバックフォーカスを長く取ることは、結像面での収差補正が困難になること、および、光学系の大型化を招くこととなる。

また、以上述べた投写型映像表示装置においては、使用するパネル（反射型液晶映像表示素子）の有効画面寸法に合わせて新規に投写光学ユニットを設計開発するため多額な開発投資を必要としていた。

このように、投写型カラー映像表示装置においては、寸法のコンパクト化を実現すべく、広画角でかつハイフォーカス、更に高倍率でバックフォーカスが長い投写光学ユニットが必要となる。また、有効画面寸法や方式が異なるパネルを使用した場合でも、新規に投写光学ユニットを設計開発することなく、標準品の一部変更で対応可能にして開発投資を少なくすることが望ましい。

本発明は、このような課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、セットのコンパクト化と、バックフォーカスを長く取りかつハイフォーカスを実現できる投写光学ユニット及びこれを用いた投写型カラー映像表示装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、特にバックフォーカスを長くとり、且つハイフォーカスを実現させる技術を提供するものである。本発明に係る投写型映像表示装置に用いられる投写光学ユニットは、反射型映像表示素子の光出射側に配置され、第１の拡大像を形成するための正の屈折力を持つ第１投写光学ユニットと、該第１投写光学ユニットの拡大像側に位置し、前記第１投写光学ユニットによって形成された第１の拡大像をさらに拡大して第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２投写光学ユニットとを備えている。そして本発明は、上記のように投写光学ユニットのバックフォーカスを長くするために、上記第１投写光学ユニットが次の構成とされていることを特徴としている。

すなわち、本発明に係る第１投写光学ユニットは、前記第２投写光学ユニット側から前記反射型映像表示素子側にかけて順に配置された、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群を含む。そして、上記第１レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ非球面レンズを少なくとも１枚含み、上記第２レンズ群は、負の屈折力を持ち、かつそのスクリーン側端に負の屈折力を持つレンズエレメントが配置され、上記第３レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ下記数１の条件を満足する。
（数１）−９．０＜Ｆ／ｆ２＜−７．０
ただし、ｆ２は第２レンズ群全系の焦点距離、Ｆは前記第１投写光学ユニット全体の焦点距離を示す。

上記第２レンズ群のパワーを強くすることで定性的にバックフォーカスを伸ばすことができるが、全系の合成焦点距離を保ちつつ第２レンズ群のパワーを強くするために、本発明では第３レンズ群のパワーを弱くしている。そして本発明は、上記第２レンズ群のパワーを数１の範囲内とし、第１レンズ群のパワーと第３レンズ群のパワーを調整して諸収差を補正することで、バックフォーカスを長くしつつハイフォーカスを実現可能にする。

また、本発明に係る投写光学ユニットは、下記数２および数３を満足するように構成されてもよい。このように構成することで、上記第１レンズユニットの倍率を所定の値に確保することができる。
（数２）−０．３＜ｆ２／ｆ１＜−０．２
（数３）−０．５６＜ｆ２／ｆ３＜−０．４０
ただし、ｆ２は第２レンズ群全系の焦点距離、Ｆは前記第１投写光学ユニット全体の焦点距離を示す。

本発明によれば、色合成手段および偏光分離手段を挿入するために充分なバックフォーカスを得つつ、ハイフォーカスを実現することができる。

以下、本発明の最良の形態について、図を参照して説明する。以下では、本発明の投写光学ユニットを背面投写型カラー映像表示装置に適用した形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば筐体外の前方壁面に配置されたスクリーンに投写する所謂前面投写型カラー映像表示装置にも適用できるのはいうまでもない。

図１は本発明の投写光学ユニットを用いた背面投写型カラー映像表示装置の実施例を示す正面図、図２はその側面図である。図１，図２において、３は背面ミラー、４は筺体、５は透過型のスクリーンである。２は、白色光源（図示せず）からの光を照明光学系（図示せず）で映像表示素子（図示せず）に照射し、映像表示素子で図示しない映像信号に応じて形成された映像を投写光学ユニット１で拡大投写する光学ユニットを示している。投写光学ユニット１は、第１の拡大像を形成する正の屈折力を有する第１投写光学ユニットＳＴ１と、第１投写光学ユニットＳＴ１によって得られた第１の拡大像（倒立像）をさらに拡大して第２の拡大像（正立像）を形成する正の屈折力を有する第２投写光学ユニットＳＴ２とからなる。

光学ユニット２は、図２のように、筐体４の下部に配置され、これから投写された映像光は背面ミラー３で折り返されてスクリーン５の背面側から投写される。

投写光学ユニット１の第１投写光学ユニットＳＴ１は、その光軸がスクリーン５の画面水平方向に概ね平行になるように配置され、第２投写光学ユニットＳＴ２は、その光軸が出射側で第１投写光学ユニットＳＴ１の光軸と略直交するように配置されている。第２投写光学ユニットＳＴ２には、その内部においてスクリーン５に対して平行だった光路を垂直にするために、光路折り返し手段（図示せず）が配置されている。

このように、本発明の投写光学ユニットは、少なくとも２つの投写光学ユニットに分割され、第１投写光学ユニットの光軸は、スクリーン５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ので、背面投写型カラー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。

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５はＡＢ平面に平行で、スクリーン５の水平（図紙面横）方向をＢ軸方向とし、垂直（図紙面縦）方向をＡ軸方向とする。スクリーン５を表側（観察者側）から裏面へ突き抜ける方向はＣ軸である。

図２において、上記したように第１投写光学ユニットＳＴ１の光軸１_１（同図中のＢ軸に平行）と第２投写光学ユニットＳＴ２の光軸１_２１は平行であり、第２投写光学ユニット内に配置した光路折り返し手段（図示せず）によって、第２投写光学ユニットＳＴ２の折り返しミラー後の光軸１_２２に対して概ね直交するように配置されている。更に、第２投写光学ユニットＳＴ２の光軸１_２１を第１投写光学ユニットＳＴ１の光軸１_１に対して図紙面右側方向の略Ｃ軸方向に偏心させることで、スクリーン５に対して投写光学ユニットの光軸が偏心するので、背面ミラー３からスクリーン５の下端に向かう光線ＬＤとＣ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２の位置を画面垂直方向上部方向のＡ軸方向に持ち上げることが可能となり、光学ユニット２をスクリーン５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４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。すなわち、図１に示すように、背面投写型カラー映像表示装置を正面から見た場合、全体としてスクリーンのみが見える外観が得られる。

次に、本発明による投写光学ユニットの基本構成及び機能の概要について、図３，図４を用いて説明する。図３は本発明による投写光学ユニットの基本構成図、図４はその光線追跡図である。なお、説明の都合上、光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面内で、矩形状の映像表示素子の短辺方向に平行な方向をＹ軸、映像表示素子の長辺方向に平行な方向をＸ軸とする座標系を導入する。実際は光軸方向は光路によって方向が変わるが、光路折り返し手段を省略して光路が直線的に表現された等価光路を想定し、その光軸方向をＺ軸として以下説明する。

図３に示すように、図示しない反射型映像表示素子（例えば反射型液晶映像表示素子）に表示された物体面Ｓ２７上の画像は、正の屈折力を有する第１投写光学ユニットＳＴ１によって第１次像面Ｓ１に第１の拡大像（倒立像）が形成され、この第１次拡大像は、第１投写光学ユニットＳＴ１のスクリーン側に位置する第２投写光学ユニットＳＴ２によってスクリーン上に図示しない第２の拡大像（正立像）が形成される。

投写光学ユニットを第１投写光学ユニットＳＴ１と第２投写光学ユニットＳＴ２に分けたことで、全体のレンズ枚数は増えるが、第２投写光学ユニットと第１拡大像の距離が短くできる。このため、第２投写光学ユニットを広角化しても、第２投写光学ユニットの大型化を防止できる。また後述するように、第１投写光学ユニットによるＦ値変換作用により、第２投写光学ユニットのＦ値を大きくとることができるため、第２投写光学ユニットの広角化が可能となる。また、倍率を２つの投写光学ユニットで分担できるので、収差の補正も容易となる。

第１投写光学ユニットにより得られる拡大像の倍率Ｍ１は、第１投写光学ユニットの倍率Ｍ２より小さくし、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投写光学ユニットから第１次像面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投写光学ユニット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。倍率Ｍ１を５倍以上にすると、第２投写光学ユニットＳＴ２に入射する光線高が高くなり、第２投写光学ユニットＳＴ２のレンズ径が大きくなり、また倍率Ｍ１を２倍以下とすると、広角化が難しくなる。

照明光学系（図示せず）から第１投写光学ユニットに入射した光束のコーンアングルθは、第１投写光学ユニットを出射した後ではほぼθ／Ｍ１とＦ値変換される。つまり光束の角度が小さくなる。光束の角度が小さくなる分、第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットの瞳位置にずれが生じると、光束量が大きく劣化する。そこで、本発明では、反射型映像表示素子からテレセントリックな状態で出射した光線が、第１の拡大像側でテレセントリックに結像するようにしている（図４参照）。

第１投写光学ユニットＳＴ１は、図示のように、スクリーン側から、第１レンズ群Ｇ１，第２レンズ群Ｇ２，第３レンズ群Ｇ３とからなり、第１レンズ群Ｇ１はレンズＬ１１乃至Ｌ１４で構成され、第２レンズ群Ｇ２はレンズＬ２１乃至Ｌ２５で構成され、第３レンズ群Ｇ３はレンズＬ３１，Ｌ３２，Ｌ３３で構成されている。

また、第２投写光学ユニットは、スクリーン側から、第４レンズ群Ｇ４，第５レンズ群Ｇ５，第６レンズ群Ｇ６とからなり、第４レンズ群Ｇ４はレンズＬ４１，Ｌ４２，Ｌ４３、第５レンズ群Ｇ５はレンズＬ５１，Ｌ５２，Ｌ５３、第６レンズ群Ｇ６はレンズＬ６１乃至Ｌ６７で構成されている。

なお、図３において、符号Ｐは色合成プリズムで、物体面Ｓ２７と色合成プリズムＰとの間に配置されている偏光分離手段は省略されている。

そして、第１投写光学ユニットＳＴ１の光軸は、第２投写光学ユニットＳＴ２の光軸に対して偏心しており、図１，２で述べたように、背面投写型カラー映像表示装置がコンパクトとなるように意図されている。
図４の光線追跡図から明らかなように、映像表示素子（物体面Ｓ２７）からテレセントリックな状態で出射した光線が第１次像面Ｓ１でテレセントリックに結像している様子がわかる。

図５は、物点の説明図である。第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを偏心させた結果、回転対称ではなくなるので、映像表示素子の上下左右の点と、途中の点を物点として設定した。これらの物点（１）乃至（８）から出射した光線の収差については後述する。

以下、本発明での投写光学ユニットの具体的な数値実施例について代表的な３つを挙げて説明する。なお、各実施例において、第２投写型光学ユニットは共通であり、第１投写光学ユニットが異なっている。

以下、第１投写光学ユニットの実施例１について、図６から図１６を用いて説明する。

図７は図３で示した投写光学ユニットにおける第１投写光学ユニットの詳細構成図、図８は第１投写光学ユニットの光線追跡図、図９はそのレンズデータ、図６は第１投写光学ユニットの各レンズ群のパワー配分を模式的に示したものである。なお、図７では見易くするためにレンズ符号を省略している。

図７において、面番号は第１次像面をＳ１とし、以下物体面（映像表示素子）側へ順に、レンズＬ１１の第２面Ｓ２からレンズＬ３３の第２４面Ｓ２４、そして色合成プリズムＰの面Ｓ２５，Ｓ２６および物体面Ｓ２７と並んでいる。曲率半径が正の場合、これは曲率半径の中心が面の位置よりも光線の出射側（スクリーン側）に位置することを示している。曲率半径が負の場合も同様に、曲率半径の中心が面の位置よりも光線の入射側（映像表示素子側）に位置することを示している。面間距離はレンズ面から次のレンズ面までの光軸上の距離である。

また、レンズＬ１１のＳ２とＳ３は非球面形状であり、その断面形状は下記数４の非球面式で表される。非球面係数は図９に記載した値Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄである。
（数４） ｚ（ｈ）＝（ｙ^２／ｒ）／｛１＋√（１−（１＋Ｋ）ｙ^２／ｒ^２）｝
+Ａ・ｈ^４+Ｂ・ｈ^６+Ｃ・ｈ^８+Ｄ・ｈ^１０＋Ｅ・ｈ^１２
ここで、ｚ（ｈ）は、映像表示素子からスクリーンに向かう光軸方向をｚ軸にとり、レンズの半径方向をｈ軸にとった時の面の高さを表している。ｈは半径方向の距離を表し、ｒは曲率半径を示している。従って、Ｋ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ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。

第１投写光学ユニットＳＴ１はバックフォーカスを長く取るためにレトロフォーカスタイプのパワー配置を採用しており、正のパワーは第３レンズ群Ｇ３のレンズＬ３１，Ｌ３２，Ｌ３３と第２レンズ群Ｇ２のレンズＬ２２からＬ２４の６枚のレンズが担い、負のパワーは第２レンズ群Ｇ２のレンズＬ２１と第１レンズ群Ｇ１のレンズＬ１２の２枚の凹レンズが担っている。第２レンズ群Ｇ２のレンズＬ２５は負のパワーを持ち、レンズＬ２４との組み合わせによって軸上色収差の補正を行なっている。また、所定の倍率を得るためにレンズＬ２１の反射型映像表示素子側の面Ｓ１１に強い負のパワーを与えている。これによって発生する歪曲収差，非点収差，コマ収差については、第１レンズ群Ｇ１のレンズＬ１３，Ｌ１４の２枚のメニスカスレンズとレンズＬ１２によって補正している。このメニスカスレンズＬ１３，Ｌ１４は凸面を向かい合わせることによってフィールドレンズの機能を果たしている。レンズＬ１１は非球面レンズ（例えば非球面プラスチックレンズ）であり、歪曲収差と主光線の光線角度を補正している。このように、本実施例による第１投写光学ユニットＳＴ１では、バックフォーカスを長く取るために生じる収差は、第１投写光学ユニットＳＴ１のレンズ構成で対処している。

また、Ｓ１６は絞り面（ＳＴＯ：Ｓｔｏｐ）であり、投写光学ユニット全体のＦ値を規定している。ここで投写光学ユニット全体のＦ値を規定する開口絞りを第１投写光学ユニットに配置する理由を説明する。つまり、第１投写光学ユニットには上記の通り開口絞りを設置できるが、第２投写光学ユニット内には開口絞りを配置できない。

第２投写光学ユニットにおいて、例えば画面中央の光束にあわせて開口絞りを配置すると、画面周辺の光束を遮光してしまい、画面周辺の光束に対する開口絞りの効果を成さない。同様に、画面周辺の光束にあわせて開口絞りを配置すると、画面中央の光束を著しく遮光してしまい、画面中央の光束に対する開口絞りの効果を成さない。もし第２投写光学ユニットに開口絞りを設けられるように構成を最適化する場合、構成レンズ枚数が増える、レンズ枚数の増加によって明るさが落ちるなどの弊害が有るため好ましくない。

そこで、本発明では、第１投写光学ユニットに開口絞りを配置した。投写光学ユニット全体の光線追跡図である図４において、第１投写光学ユニットに配置した開口絞りで投写光学ユニット全体のＦ値を規定できている様子がわかる。

次に、本実施例における図６に示す各レンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３のパワー（１／ｆ）配分について説明する。但し、第２レンズ群Ｇ２のパワー（１／ｆ２）は全系のパワー（１／Ｆ）で規格化し、第１と第３レンズ群Ｇ１，Ｇ３のパワー（１／ｆ１，１／ｆ３）は第２レンズ群Ｇ２のパワーで規格化して示す。各レンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３のパワーのデータは次の通りである。

Ｆ／ｆ２＝−７．２２、ｆ２／ｆ１＝−０．２６、ｆ２／ｆ３＝−０．５２
但し、第１投写光学ユニットのパワー（１／Ｆ）は０．０１であり正の値を示す。

このデータから明らかなように、第２レンズ群Ｇ２は負のパワー（屈折力）を有し、第１レンズ群Ｇ１，第３レンズ群Ｇ３は正のパワーを有している。本実施例では、第２レンズ群Ｇ２の負のパワーと、第３レンズ群Ｇ３の正のパワーによってレトロフォーカスタイプのパワー配置としており、レトロフォーカスタイプのパワー配置を実現するために、第２レンズ群Ｇ２に強い負のパワーを配分し、第３レンズ群Ｇ３の正のパワーを弱くしている。また、第１レンズ群Ｇ１の正のパワーは、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３のパワー配分および諸収差の補正によって調整し、第３レンズ群Ｇ３の正のパワーより小さくしてある。なお、第１レンズ群Ｇ１は、図８の光線追跡から明らかなように、第１次像面Ｓ１でテレセントリックに結像させる機能を有している。

レトロフォーカスタイプのパワー配置により、図９のレンズデータから明らかなように、バックフォーカスは空気換算値で５１．５ｍｍ（空気２６．６９１ｍｍ、ガラス３７．６９７ｍｍ、ガラスの屈折率を１．５１７とした場合）であり偏光分離手段及び色合成手段を配置するために充分な長さを実現している。

第１投写光学ユニットの光線追跡図である図８から明らかなように、映像表示素子（物体面Ｓ２７）からテレセントリックに出射した光線は、第１次像面Ｓ１にてテレセントリックに結像している。第１次像面Ｓ１において最外角光線の主光線は光軸に対する角度は０．１度で、これは物体面Ｓ２７での光線の広がりがおよそ±３度であるのと比較して良好なテレセントリック性と言える。

また、倍率Ｍ１は３．０とし、倍率Ｍ２は２９．８としている。ここで、倍率Ｍ１は倍率Ｍ２よりも小さく、かつ２倍以上５倍以下の範囲にあるため、第２投写光学ユニットのレンズ外径を製造に適した径の範囲に収めることができる。既に述べたが、Ｍ１の倍率を５倍以上にすると、第２投写光学ユニットＳＴ２に入射する光線高が高くなり、第２投写光学ユニットＳＴ２のレンズ径が大きくなりすぎ、また倍率Ｍ１を２以下とすると、広角化が難しくなる。従って、本実施例によれば、投写光学ユニットのサイズの大型化を招くことなく、広角化を図ることができる。

図１０から図１２は第１投写光学ユニットのみ通った後の第１次像面での収差図である。図１０は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図であり、図１１は波長５５５ｎｍでの緑色の収差図であり、図１２は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。各収差図において、図紙面左側のタンジェンシャルはそれぞれの相対画角でのタンジェンシャル光線の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が像面での横方向の収差量を示している。図紙面右側のサジタルはそれぞれの相対画角でのサジタル光線の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が横方向の収差量を示している。単位は０．０２５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図１３から図１５は第１投写光学ユニットのみ通った後の第１次像面でのスポットを表す特性図である。図１３は波長６５０ｎｍでの赤色のスポットを表す特性図であり、図１４は波長５５５ｎｍでの緑色のスポット図であり、図１５は波長４５０ｎｍでの青色のスポットを表す特性図である。単位は０．０５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図１６は第１投写光学ユニットのみ通った後の第１次像面での像面湾曲と歪曲率の図である。像面湾曲図において横軸は合焦位置、つまり縦収差量を示し、縦軸は物体面での入射高を示している。実線はサジタル光線の収差を表し、破線はタンジェンシャル光線の収差を表している。歪曲収差図において横軸は歪曲率を示し、歪曲率は最大で０．２％と良好な値である。

次に第２投写光学ユニットについて、図１７から図２５を用いて説明する。

図１７は図３で示した投写光学ユニットにおける第２投写光学ユニットの詳細構成図、図１８は第２投写光学ユニットの光線追跡図、図１９はそのレンズデータである。なお、図１７では見易くするためにレンズ符号を省略している。

図１７において、面番号は第２次像面であるスクリーン面をＳ２８（図示せず）とし、スクリーン側レンズＬ４１から第１次像面Ｓ１側に向かって順に第２９面Ｓ２９から第５３面Ｓ５３と並んでいる。

第２投写光学ユニットにおいては広角化を行なっている。広角化によって発生する収差の内、軸外光線の歪曲収差や像面湾曲、コマ収差については第６レンズ群Ｇ６のレンズＬ６５、Ｌ６６によって補正され、第４レンズ群Ｇ４のレンズＬ４１からＬ４３によってスクリーン上へ拡大投影される。

例えば第２投写光学ユニットへの入射する物高が３２．６ｍｍの場合、投写距離５９６ｍｍに対し、像高は８８５．３ｍｍとなるため半画角では４５度を超える広角化を実現している。

図２０から図２２は第１投写光学ユニット及び第２投写光学ユニットを通った後のスクリーン上での収差図である。図２０は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図であり、図２１は波長５５５ｎｍでの緑色の収差図であり、図２２は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。各収差図において、図紙面左側のＹ−ＦＡＮはそれぞれの物位置でのＹ方向の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が像面での横方向の収差量を示している。図紙面右側のＸ−ＦＡＮはそれぞれの物位置でのＸ方向の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が横方向の収差量を示している。単位は１．０ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図２３から図２５は第１投写光学ユニット及び第２投写光学ユニットを通った後のスクリーン上でのスポットを表す特性図である。図２３は波長６５０ｎｍでの赤色のスポットを表す特性図であり、図２４は波長５５５ｎｍでの緑色のスポットを表す特性図であり、図２５は波長４５０ｎｍでの青色のスポットを表す特性図である。単位は２．０ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

以上の説明のように、第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットの組み合わせにおいても、良好な光学性能を有しているのがわかる。

以上述べた本実施例による投写光学ユニットは、第１投写光学ユニット、第２投写光学ユニットをそれぞれ個別に設計することが可能である。第１光学ユニットのみを交換すれば、デバイスの種類やサイズの異なる映像表示素子への対応が可能となる。また、第２投写光学ユニットのみの交換も可能で、第２投写光学ユニットを更に超短投写距離の投写光学系に交換すれば、背面ミラーレスとなる直投方式リアプロジェクションテレビへの対応も可能である。このように、第１投写光学ユニット、第２投写光学ユニットのどちらかを共用化し使用できるため機種展開時の開発コストを低減することができる。

また、本実施例による投写光学ユニットによれば、第１投写光学ユニットＳＴ１と第２投写光学ユニットＳＴ２に分けたことで、第２投写光学ユニットと第１拡大像の距離が短くできるので、広角化が容易となる。本実施例では画角９０度を超える広角化を実現できた。

また、第１投写光学ユニットにレトロフォーカスタイプのパワー配置を適用することにより、反射型映像表示素子へ対応するためのバックフォーカスを得ることができる。

勿論、各投写光学ユニットで生じる収差は、各投写光学ユニットで対応することにより、収差を低減しており、ハイフォーカスを同時に実現している。

また、第１投写光学ユニットの倍率Ｍ１を第２投写光学ユニットの倍率Ｍ２より小さくし、かつ、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、倍率Ｍ１を２倍から７倍（２倍から５倍以内にすると更に良い）程度とすることにより、第１投写光学ユニットから結像位置までの距離を最適な範囲内に抑え、第１及び第２投写光学ユニットのレンズ外形を製造可能な範囲に収めることができ、投写光学ユニットのサイズの大型化を防止できる。

また、第１投写光学ユニットＳＴ１の光軸１_１に対し第２投写光学ユニットＳＴ２の光軸１_２１を所定量（例えば９．８１ｍｍ）だけ図２中Ｃ軸方向（図３ではＹ軸方向）へ偏心させることにより、図１に示すように、背面投写型カラー映像表示装置を正面から見た場合、全体としてスクリーンのみが見える外観を得ることができる。

本発明による投写光学ユニットは、第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットに分割された構成なので、上記したように、各投写光学ユニットをその目的に応じて個別に設計することができる。

そこで、本発明ではバックフォーカスを長くすることを主な目的としているので、実施例１で説明したように、第１投写光学ユニットでバックフォーカスを長くし、第２投写光学ユニットで広角化を行った。そして、バックフォーカスを長くするために、第１投写光学ユニットでは第２レンズ群Ｇ２に第１投写光学ユニットの主なパワーを与えるパワー配分構成とした。

次に、第２投写光学ユニットは実施例１と同じとし、第１投写光学ユニットのパワー配分を変えた別の実施例について述べる。なお、実施例１と同様に、倍率Ｍ１＝３，倍率Ｍ２＝２９．８とし、またバックフォーカスは空気換算値で５１．５ｍｍとしている。

以下、第１投写光学ユニットの実施例２について、図２６から図３５を用いて説明する。

全系での構成及び収差は、実施例１にて共用部分である第２投写レンズユニットについて既に説明しているため、ここでは変更部分である第１投写レンズユニットについてのみ説明する。

図２６は第１投写光学ユニットの詳細構成図、図２７は光線追跡図、図２８はそのレンズデータである。なお、図２６から明らかなように、本実施例によるレンズ枚数と構成は実施例１に同じで、面番号やレンズ符号は省略してある。

図２７から、映像表示素子（物体面Ｓ２７）からテレセントリックに出射した光線が、第１次像面Ｓ１にてテレセントリックに結像している様子がわかる。第１次像面Ｓ１において最外角光線の主光線は光軸に対する角度は０．１度で、これは物体面Ｓ２７での光線の広がりがおよそ±３度であるのと比較して良好なテレセントリック性と言える。バックフォーカスは空気換算値で５１．５ｍｍであり偏光分離手段及び色合成手段を配置するために充分な長さである。また、倍率Ｍ１は３．０であり、倍率Ｍ２は２９．８である。第１投写光学ユニットのパワー配分は下記の通りである。

Ｆ／ｆ２＝−８．６９、ｆ２／ｆ１＝−０．２５、ｆ２／ｆ３＝−０．４７
但し、第１投写光学ユニットのパワー（１／Ｆ）は０．０１であり正の値を示す。

なお、レンズＬ１１の第２面Ｓ２と第３面Ｓ３は非球面形状であり、非球面係数は図２８の下部に記載した値である。

図２９から図３１は第１投写光学ユニットのみ通った後の第１次像面での収差図である。図２９は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図であり、図３０は波長５５５ｎｍでの緑色の収差図であり、図３１は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。各収差図において、図紙面左側のタンジェンシャルはそれぞれの相対画角でのタンジェンシャル光線の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が像面での横方向の収差量を示している。図紙面右側のサジタルはそれぞれの相対画角でのサジタル光線の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が横方向の収差量を示している。単位は０．０２５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図３２から図３４は第１投写光学ユニットのみ通った後の第１次像面でのスポットを表す特性図である。図３２は波長６５０ｎｍでの赤色のスポット図であり、図３３は波長５５５ｎｍでの緑色のスポットを表す特性図であり、図３４は波長４５０ｎｍでの青色のスポットを表す特性図である。単位は０．０５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。図３５は像面歪曲と歪曲率の図である。歪曲率は最大で０．２％と良好な値である。

次に、第１投写光学ユニットの他の実施例である実施例３について、図３６から図４５を用いて説明する。全系での構成及び収差は、実施例１にて共用部分である第２投写レンズユニットについて既に説明しているため、ここでは変更部分である第１投写レンズユニットについてのみ説明する。

図３６は第１投写光学ユニットの詳細構成図、図３７は光線追跡図、図３８はそのレンズデータである。なお、図３６から明らかなように、本実施例によるレンズ枚数と構成は実施例１に同じで、面番号やレンズ符号は省略してある。

図３７から、映像表示素子（物体面Ｓ２７）からテレセントリックに出射した光線が、第１次像面Ｓ１にてテレセントリックに結像している様子がわかる。第１次像面Ｓ１において最外角光線の主光線は光軸に対する角度は０．１度で、これは物体面Ｓ２７での光線の広がりがおよそ±３度であるのと比較して良好なテレセントリック性と言える。バックフォーカスは空気換算値で５１．５ｍｍであり偏光分離手段及び色合成手段を配置するために充分な長さである。また、倍率Ｍ１は３．０であり、倍率Ｍ２は２９．８である。第１投写光学ユニットのパワー配分は下記の通りである。

Ｆ／ｆ２＝−７．６９、ｆ２／ｆ１＝−０．２４、ｆ２／ｆ３＝−０．４５
但し、第１投写光学ユニットのパワー（１／Ｆ）は０．０１であり正の値を示す。

なお、レンズＬ１１の第２面Ｓ２と第３面Ｓ３は非球面形状であり、非球面係数は図３８の下部に記載した値である。

図３９から図４１は第１投写光学ユニットのみ通った後の第１次像面での収差図である。図３９は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図であり、図４０は波長５５５ｎｍでの緑色の収差図であり、図４１は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。各収差図において、図紙面左側のタンジェンシャルはそれぞれの相対画角でのタンジェンシャル光線の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が像面での横方向の収差量を示している。図紙面右側のサジタルはそれぞれの相対画角でのサジタル光線の横収差を示しており、横軸が入射瞳径に対する入射高を表し、縦軸が横方向の収差量を示している。単位は０．０２５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図４２から図４４は第１投写光学ユニットのみ通った後の第１次像面でのスポットを表す特性図である。図４２は波長６５０ｎｍでの赤色のスポットを表す特性図であり、図４３は波長５５５ｎｍでの緑色のスポットを表す特性図であり、図４４は波長４５０ｎｍでの青色のスポットを表す特性図である。単位は０．０５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図４５は像面歪曲と歪曲率の図である。歪曲率は最大で０．２％と良好な値である。

以上説明した実施例１乃至実施例３における第１投写光学ユニットのパワー配分を下記に再記して示す。
実施例１ Ｆ／ｆ２＝−７．２２、ｆ２／ｆ１＝−０．２６、ｆ２／ｆ３＝−０．５２
実施例２ Ｆ／ｆ２＝−８．６９、ｆ２／ｆ１＝−０．２５、ｆ２／ｆ３＝−０．４７
実施例３ Ｆ／ｆ２＝−７．６９、ｆ２／ｆ１＝−０．２４、ｆ２／ｆ３＝−０．４５
これらのパワー配分データから、第１投写光学ユニットを構成する各レンズ群のパワーを、次式を満足するようにすれば、反射型映像表示素子に対応したバックフォーカスを達成しながら、良好な収差を確保することができる。
（数１）−９．０＜Ｆ／ｆ２＜−７．０
（数２）−０．３＜ｆ２／ｆ１＜−０．２
（数３）−０．５６＜ｆ２／ｆ３＜−０．４０
但し、Ｆは前記第１投写光学ユニット全体の焦点距離、ｆ２は第２レンズ群Ｇ２の焦点距離、ｆ３は第３レンズ群Ｇ３の焦点距離である。

上記数１において、Ｆ／ｆ２が数１の下限よりも小さい場合は第２レンズ群内のレンズの曲率半径が小さくなり、球面収差、コマ収差、軸上色収差の補正が困難となるため好ましくない。また、数１の上限を超える場合は、歪曲収差の補正が困難となるため好ましくない。また、上記数２において、ｆ２／ｆ１が数２の下限よりも小さい場合は、第１レンズ群内のレンズの曲率半径が小さくなり、主光線の高さを高くすることができず所定の倍率を確保することが困難となるため好ましくない。また、数３の上限を超える場合は、歪曲収差の補正が困難となるため好ましくない。上記数３において、ｆ２／ｆ３が数３の下限よりも小さい場合は、第３レンズ群内のレンズ面が平面に近づき所定の倍率を確保することが困難となるため好ましくない。また、数３の上限を超える場合は、歪曲収差の補正が困難となるため好ましくない。

以上述べた実施例では、反射型の映像表示素子として反射型液晶映像表示素子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、透過型の液晶映像表示素子を用いた場合でも、適用できることはいうまでもない。

また、その他の反射型映像表示素子として、例えば微小ミラーがあるが、この場合でも、微小ミラーに入射する入射光と微小ミラーからの反射光の光路を切り替える周知の光学要素Total Internal Reflection Prism（ＴＩＲプリズム）が微小ミラーと投写光学ユニットとの間に配置されるので、相応のバックフォーカスが必要となり、本発明を好適に適用できる。

本発明の実施形態である背面投写型カラー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カラー映像表示装置の側面図。 本発明の実施形態を示す投写光学ユニットの基本構成図。 本発明の実施形態を示す投写光学ユニットの光線追跡図。 物点の説明図。 実施例１の第１投写光学ユニットのパワー配置図。 実施例１を示す第１投写光学ユニットの詳細構成図。 実施例１の第１投写光学ユニットの光線追跡図。 実施例１を示す第１投写光学ユニットのレンズデータ。 実施例１の第１投写光学ユニットの赤色収差図。 実施例１の第１投写光学ユニットの緑色収差図。 実施例１の第１投写光学ユニットの青色収差図。 実施例１の第１投写光学ユニットの赤色スポット図。 実施例１の第１投写光学ユニットの緑色スポット図。 実施例１の第１投写光学ユニットの緑色スポット図。 実施例１の第１投写光学ユニットの像面湾曲と歪曲率の図。 実施例１を示す第２投写光学ユニットの詳細構成図。 実施例１の第２投写光学ユニットの光線追跡図。 実施例１を示す第２投写光学ユニットのレンズデータ。 実施例１の投写光学ユニットの赤色収差図。 実施例１の投写光学ユニットの緑色収差図。 実施例１の投写光学ユニットの緑色収差図。 実施例１の投写光学ユニットの赤色スポット図。 実施例１の投写光学ユニットの緑色スポット図。 実施例１の投写光学ユニットの青色スポット図。 実施例２を示す第１投写光学ユニットの詳細構成図。 実施例２の第１投写光学ユニットの光線追跡図。 実施例２を示す第１投写光学ユニットのレンズデータ。 実施例２の第１投写光学ユニットの赤色収差図。 実施例２の第１投写光学ユニットの緑色収差図。 実施例２の第１投写光学ユニットの青色収差図。 実施例２の第１投写光学ユニットの赤色スポット図。 実施例２の第１投写光学ユニットの緑色スポット図。 実施例２の第１投写光学ユニットの青色スポット図。 実施例２の第１投写光学ユニットの像面歪曲と歪曲率の図。 実施例３を示す第１投写光学ユニットの詳細構成図。 実施例３の第１投写光学ユニットの光線追跡図。 実施例３を示す第１投写光学ユニットのレンズデータ。 実施例３の第１投写光学ユニットの赤色収差図。 実施例３の第１投写光学ユニットの緑色収差図。 実施例３の第１投写光学ユニットの青色収差図。 実施例３の第１投写光学ユニットの赤色スポット図。 実施例３の第１投写光学ユニットの緑色スポット図。 実施例３の第１投写光学ユニットの緑色スポット図。 実施例３の第１投写光学ユニットの像面歪曲と歪曲率の図。

符号の説明

１…投写光学ユニット、ＳＴ１…第１投写光学ユニット、ＳＴ２…第２投写光学ユニット、２…光学ユニット、３…背面ミラー、４…筐体、５…スクリーン、Ｆ…第１投写光学ユニットの焦点距離、ｆ１…第１レンズ群の焦点距離、ｆ２…第２レンズ群の焦点距離、ｆ３…第３レンズ群の焦点距離、Ｇ１…第１レンズ群、Ｇ２…第２レンズ群、Ｇ３…第３レンズ群、Ｐ…色合成プリズム

Claims (10)

1. 反射型映像表示素子に表示された画像を拡大投写するための投写光学ユニットを有する投写型映像表示装置において、
   投写光学ユニットは、
   前記反射型映像表示素子の光出射側に配置され、第１の拡大像を形成するための正の屈折力を持つ第１投写光学ユニットと、
   該第１投写光学ユニットの拡大像側に位置し、前記第１投写光学ユニットによって形成された第１の拡大像をさらに拡大して第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２投写光学ユニットと、を備え、
   前記第１投写光学ユニットは、前記第２投写光学ユニット側から前記反射型映像表示素子側にかけて順に配置された、前記第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群を含み、前記第１レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ非球面レンズを少なくとも１枚含み、前記第２レンズ群は、負の屈折力を持ち、かつそのスクリーン側端に負の屈折力を持つレンズエレメントが配置され、前記第３レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ下記条件を満足することを特徴とする投写型映像表示装置；
   −９．０＜Ｆ／ｆ２＜−７．０
   ただし、ｆ２は第２レンズ群全系の焦点距離、Ｆは前記第１投写光学ユニット全体の焦点距離を示す。
2. 請求項１に記載の投写型映像表示装置において、更に下記条件を満足することを特徴とする投写型映像表示装置。
   −０．３＜ｆ２／ｆ１＜−０．２
   −０．５６＜ｆ２／ｆ３＜−０．４０
   ただし、ｆ１は第１レンズ群全系の焦点距離、ｆ３は第３レンズ群全系の焦点距離を示す。
3. 反射型映像表示素子に表示された画像を拡大投写するための投写光学ユニットを有する投写型映像表示装置において、
   投写光学ユニットは、
   前記反射型映像表示素子の光出射側に配置され、第１の拡大像を形成するための正の屈折力を持つ第１投写光学ユニットと、
   該第１投写光学ユニットの拡大像側に位置し、前記第１投写光学ユニットによって形成された第１の拡大像をさらに拡大して第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２投写光学ユニットと、を備え、
   前記第１投写光学ユニットは、前記第２投写光学ユニット側から前記反射型映像表示素子側にかけて順に配置された、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群を含み、前記第１レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ非球面レンズを少なくとも１枚含み、前記第２レンズ群は、負の屈折力を持ち、かつそのスクリーン側端に負の屈折力を持つレンズエレメントが配置され、前記第３レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ下記条件を満足することを特徴とする投写型映像表示装置；
   −０．３＜ｆ２／ｆ１＜−０．２
   −０．５６＜ｆ２／ｆ３＜−０．４０
   ただし、ｆ１は第１レンズ群全系の焦点距離、ｆ３は第３レンズ群全系の焦点距離を示す。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の投写型映像表示装置において、前記第１投写光学ユニットによって形成された前記第１の拡大像が、前記第２投写光学ユニットよりも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が、前記第２の拡大像の倍率Ｍ２より小さいことを特徴とする投写型映像表示装置。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の投写型映像表示装置において、前記第１投写光学ユニットと、該第２投写光学ユニットは、その組み合わせを変更することが可能であることを特徴とする投写型映像表示装置。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載の投写型映像表示装置において、前記第１投写光学ユニットに、該投写光学ユニット全体のＦ値を規定する開口絞りを設けたことを特徴とする投写型映像表示装置。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載の投写型映像表示装置において、前記第１投写光学ユニットは、前記第１の拡大像側に略テレセントリックな関係にあることを特徴とする投写型映像表示装置。
8. 請求項１乃至３のいずれかに記載の投写型映像表示装置において、前記第１投写光学ユニットは、少なくとも、非球面レンズと、曲率半径の絶対値の小さい面が互いに向かい合った２枚の凸レンズと、反射型映像表示素子側に曲率半径の絶対値の小さい面を向けた凹レンズを含むことを特徴とする投写型映像表示装置。
9. 反射型映像表示素子に表示された画像を拡大投写するための投写光学ユニットにおいて、
   前記反射型映像表示素子の光出射側に配置され、第１の拡大像を形成するための正の屈折力を持つ第１投写光学ユニットと、
   該第１投写光学ユニットの拡大像側に位置し、前記第１投写光学ユニットによって形成された第１の拡大像をさらに拡大して第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２投写光学ユニットと、を備え、
   前記第１投写光学ユニットは、前記第２投写光学ユニット側から前記反射型映像表示素子側にかけて順に配置された、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群を含み、前記第１レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ非球面レンズを少なくとも１枚含み、前記第２レンズ群は、負の屈折力を持ち、かつそのスクリーン側端に負の屈折力を持つレンズエレメントが配置され、前記第３レンズ群は正の屈折力を持ち、かつ下記条件を満足することを特徴とする投写光学ユニット；
   −９．０＜Ｆ／ｆ２＜−７．０
   ただし、ｆ２は第２レンズ群全系の焦点距離、Ｆは前記第１投写光学ユニット全体の焦点距離を示す。
10. 請求項９に記載の投写光学ユニットにおいて、更に下記条件を満足することを特徴とする投写光学ユニット。
    −０．３＜ｆ２／ｆ１＜−０．２
    −０．５６＜ｆ２／ｆ３＜−０．４０
    ただし、ｆ１は第１レンズ群全系の焦点距離、ｆ３は第３レンズ群全系の焦点距離を示す。

Images