JP2011248365A

JP2011248365A - 投写型映像表示装置

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Publication number: JP2011248365A
Application number: JP2011119879A
Authority: JP
Inventors: Koji Hirata; 浩二平田; Shuji Kato; 修二加藤; Masahiko Tanitsu; 雅彦谷津; Tsutomu Nakajima; 努中島; Hidehiro Ikeda; 英博池田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2011-12-08

Abstract

【課題】投写型映像表示装置におけるセットのコンパクト化を実現する。
【解決手段】光源からの光を受けて像を形成する映像表示素子と、前記映像表示素子に表示された画像を拡大投写する投写光学ユニットを備え、当該投写光学ユニットは、前記映像表示素子の像をＭ１倍に拡大して第１の拡大像を結像し、正の屈折力を有する第１のユニット３と、前記第１の拡大像をＭ２倍に拡大して第２の拡大像をスクリーン６上に結像し、正の屈折力を有する第２のユニット２と、を備え、前記Ｍ１は、前記Ｍ２より小さく、前記第１のユニット３の光軸と前記第２のユニット２の光軸は偏心している構成とした。
【選択図】図１

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う投写型カラー映像表示装置、該拡大画像をスクリーン背面から投影する背面投写型カラー映像表示装置、及びこれらに用いられる投写光学ユニットに関する。

映像表示素子の画像を投写光学ユニットによってスクリーン上に拡大投影するカラー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、例えば下記特許文献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。

特開平５−１３４２１３号公報特開２０００−１６２５４４号公報特開２００２−３５７７６８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、上記特許文献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。また上記特許文献２に記載の投写光学ユニットにおいては、背面投写型カラー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難しいという問題点もある。さらに上記特許文献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難しいという問題点がある。

さらに、上記従来技術においては投写光学ユニットのみに着目し設計がなされており照明光学系を含めたシステム全体での最適設計がなされていなかった。

映像表示素子として透過型液晶パネルを用いた従来の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、前述したように、セットのコンパクト化に必要な広画角化の他に、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、が挙げられる。

一方、映像表示素子として反射型液晶パネルを用いた場合には、画素電極を液晶層の裏面に配置できるので高開口率が実現できる。このため、透過型液晶パネルに対して以下の特徴がある。
（１）同一解像度の場合にはパネルサイズを一回り小さくできる。
（２）同一パネルサイズの場合にはより多くの画素数が得られる(高解像度化)。

このため、反射型液晶パネルを用いたカラー映像表示装置に使用される投写レンズ装置は、透過型液晶パネルを用いたものに対し、更なるハイフォーカス化、及び高倍率化が望まれる。さらに、反射型液晶パネルを使用した画像投影装置の光学系では、映像表示素子と投写レンズ装置の間には色合成プリズムの他に大きな空気間隔が存在するため、より一層長いバックフォーカスが必要となる。

また、以上述べた投写型カラー映像表示装置においては、使用するパネル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、背面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、新規に照明光学系の全てや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を実現可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、映像表示素子からスクリーンまでの光路の間に、第１の拡大像を形成するための正の屈折力を持つ第１のレンズ群と、該第１のレンズ群のスクリーン側に位置し前記第１のレンズ群によって得られた第１の拡大像を更に拡大して前記スクリーンに第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２のレンズ群とを配置し、前記第１の拡大像が前記第２レンズ群よりも映像表示素子側において結像する構成を特徴とするものである。

また、第１レンズ群と第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、前記第１の拡大像の倍率Ｍ１を前記第２の拡大像の倍率Ｍ２より小さくする。また、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よい。

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と第１の拡大像の倍率Ｍ１を掛けた値、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。

さらに、前記第１レンズ群による形成される第１の拡大像は、前記フィールドレンズ群近傍で結像する。例えば前記第1群レンズ側に結像することでフィールドレンズ群にゴミが付着してもスクリーン上の拡大像に影響を与えることがない。

また、投写型カラー映像表示装置そのものをコンパクトにする第１の実現手段として、以下のものが挙げられる。
（１）前記第２レンズ群とフィールドレンズ群の間に光路折り返し手段を設ける。この光路折返しの具体的な技術手段としてプリズムを用いてもよく、折り返しミラーを用いればコストアップを抑えてコンパクト化が実現できる。
（２）更に第１レンズ群を構成するレンズ素子とレンズ素子の間に光路折り返し手段を設ける。
（３）加えて第２レンズ群を構成するレンズ素子とレンズ素子の間に光路折り返し手段を設ける。
また、投写型カラー映像表示装置そのものをコンパクトにする第２の実現手段として、以下のものが挙げられる。
（４）２つのレンズ群を有する投写光学ユニットの場合には、上記第１レンズ群の光軸と上記第２レンズ群の光軸をずらして配置する。すなわち、第２レンズ群を第１の拡大像に対してシフトさせて配置し、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。
（５）２つのレンズ群を有する投写光学ユニットの場合には、上記第１レンズ群をスクリーン画面水平方向に概ね平行となるように配置する。更に、第１のレンズ群と第２のレンズ群との間には光路折り返し手段を設け、該第２の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(すなわち、第１のレンズ群の光軸と第２のレンズ群の光軸とが互いに直交するように)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、セットのコンパクト化が実現可能となる。

本発明の第一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。本発明の第一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。本発明の第二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。本発明の第二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。本発明の第一の実施形態である投写型カラー映像表示装置の上面図。本発明の第二の実施形態である投写型カラー映像表示装置の上面図。本発明の第一の実施形態である投写型カラー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カラー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ユニットの第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ユニットの第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ユニットの第１レンズ群に対する光線追跡結果を示す図。本発明の第一の実施形態である投写光学ユニットの第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ユニットの第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ユニットの第２レンズ群に対する光線追跡結果を示す図。本発明の第一の実施形態である投写光学ユニット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ユニットの第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。本発明の一実施形態である投写光学ユニットの第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。本発明の一実施形態である投写光学ユニットによる結像面でのスポット形状を示す特性図。

以下本発明の投写光学ユニットを用いた投写型カラー映像表示装置及び背面投写型カラー映像表示装置について図面を参照にして説明する。

図１は本発明の投写光学ユニットを用いた背面投写型カラー映像表示装置の第１の実施例についての正面図である。同図において、１は照明光学系、５は筺体、６はスクリーン、７は光路折り返しミラーである。４は、白色光源からの光を照明光学系１で映像表示素子（図示せず）に照射し、映像表示素子で映像信号に応じて形成された光学像を投写光学ユニットで拡大投写する光学ユニットを示している。また、３は投写光学ユニットの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、２は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レンズ鏡筒を示している。光学ユニット４は図示しない電源や表示駆動回路等とともにシャーシ（図示せず）に組み込まれ、投写型カラー映像表示装置を形成している。以下ではこの投
写型カラー映像表示装置を光学ユニット４で代表して示す。

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で折り返されてスクリーン６の背面側からスクリーン６に投写される。

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）とからなり、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、セット全体のコンパクト化に有効である。光源として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、有効となる。

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側面図で、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。図２において、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３１（同図中のＺ軸、以下第１レンズ鏡筒の光軸と省略する）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２１（以下第２レンズ鏡筒の光軸と省略する）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２１を前記第１レンズ鏡筒３の光軸３１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。

図３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第２の実施例についての正面図である。同図において、１１は照明光学系、１５は筺体、１６はスクリーン、１７は光路折り返しミラー、１４は光学ユニットを示している。また、１３は第１レンズ群（図示せず）を内蔵する第１レンズ鏡筒、１２は第２レンズ群（図示せず）を内蔵する第２レンズ鏡筒を示している。第１レンズ鏡筒１３の光軸は、第１の実施例と同様にスクリーン１６の画面水平方向（図中Ｚ軸）に概ね平行になるように配置されており、セット全体のコンパクト化に有効である。

図４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第２の実施例についての側面図で、図３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。第１レンズ鏡筒１３の光軸１３１（同図中のＺ軸）と第２レンズ鏡筒の光軸１２１は、内蔵した図示しない光路折り返し手段（後述）によって概ね直交配置される。更に、第２レンズ鏡筒１２の光軸１２１を前記第１レンズ鏡筒１３の光軸１３１に対して図２の場合とは逆側（即ち図４紙面左側方向の略Ｘ軸方向）に偏心させ、かつ、第２レンズユニット１２の投写距離を短縮する。これにより、光路折り返しミラー１７が立ち上がってスクリーン１６とのなす角度が小さくなるとともに、スクリーン側に近づき、直接セット奥行きが低減できコンパクトなセットが実現できる。ただし、筐体１５の高さは高くなる。

次に、前記した第１の実施例に用いた本発明における投写型カラー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、３１と２１は、前記した第１レンズ群２２の光軸と第２レンズ群２４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レンズ群２４の光軸２１を光路折り返し手段２５により第１レンズ群２２の光軸３１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５に示した本発明の投写型カラー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、本発明の投写型カラー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平面上で投写型カラー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。

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、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に示した本発明の投写型カラー映像表示装置においては、第２レンズ群２４の光軸２１を第１レンズ群２２の光軸３１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レンズ群の投写距離を短縮するとともに上記とは逆側（図４では図紙面左側方向）に偏心させることで図４に示したようにコンパクトなセットが実現できる。

すなわち、照明光学系と第１レンズ群は共用化し、第２レンズ群の投写距離や両者の偏心量だけを変更することで全く異なったフォルムのセットを実現できる。このため、セットの機種展開を最小限の金型投資にて実現できるので開発効率に優れている。

さらに、第２レンズ群２４の光軸２１を第１レンズ群２２の光軸３１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が実現できる。

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レンズ群２４の光軸を第１レンズ群２２の光軸に対して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７は前記した第１の実施例に用いた本発明の投写型カラー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。

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。

図８は、本発明の投写型カラー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、照明光学系の別の実施例を示す配置図である。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、収束光束となって防爆ガラス３３を通過する。この防爆ガラス３３を通過した光束は、ライトファネル６１内部で複数回反射されることで分割され、偏光ビームスプリッタ６２により単一偏光とされる。この単一偏光となった分割光束は、拡大用のレンズ６３及びレンズ６４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。以降に配置された光学部品の作用効果は前述した図７の照明光学系の実施例と同
一であり同一符号を付すとともに個々の説明についても割愛する。

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９に、レンズの構成を図１０に示した。図１０において、各レンズに付した符号は図９におけるレンズ面符号と一致している。図９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１０においてはＩＭＧと表記している。

図１１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１６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１２に、レンズの構成を図１３に示す。図１２において各レンズに付した符号は図１２におけるレンズ面符号と一致している。図１２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１４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１７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１５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１８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投写型カラー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、背面投写型カラー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、折り返しミラー１枚でも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、背面投写型カラー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カラー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、これを採用したカラー映像表示装置や背面投写型カラー映像表示装置では、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。

１…照明光学系、５，１５…筺体、６，１６…スクリーン、７，１７…光路折り返しミラー、４，１４…光学ユニット、３，１３…第１レンズ鏡筒、２，１２…第２レンズ鏡筒、２２…第１レンズ群、２４…第２レンズ群、２３…フィールドレンズ、２５…光路折り返し手段、２６…光路折り返しミラー、２７…クロスプリズム、３０…白色光源，３１…リフレクタ、３３…防爆ガラス、３４，３６…フライアイレンズ、３７，４４，４５…フィールドレンズ、５１…液晶パネル（Ｇ）、５２…液晶パネル（Ｂ）、５３…液晶パネル（Ｒ）、３８…ダイクロイックミラー（赤色光束とシアン色光束に分離）、３９…ダイクロイックミラー（緑色領域の光を反射）、４１，４２，４３…光路折り返しミラー、５１´，５２´，５３´…レンズ、２１０…投写光学ユニット、３５，６２…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、６１…ライトファネル、６３，６４…拡大用レンズ、φ１，φ２，φ３，φ４，φ５…光束

Claims

映像表示素子に表示された画像をスクリーン上に拡大投影する投写光学ユニットにおいて、映像表示素子からスクリーンまでの光路の間に配置された、
第１の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第１のレンズ群と、
該第１のレンズ郡のスクリーン側に位置し、前記第１のレンズ群によって得られた第１の拡大像を更に拡大して前記スクリーンに第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２のレンズ群と、
を備え、前記第１の拡大像が前記第２レンズ群よりも映像表示素子側において結像することを特徴とする投写光学ユニット。
前記該第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請求項１に記載の投写光学ユニット。
映像表示素子に表示された画像をスクリーン上に拡大投影する投写光学ユニットにおいて、
映像表示素子からスクリーンまでの光路に、前記画像の光の進行方向に沿って順に配置された、
正の屈折力を有する第１のレンズ群、及び
該第１のレンズ群によって得られた第１の拡大像を更に拡大するための正の屈折力を有する第２のレンズ群、を備え、
前記第１レンズ群は映像表示素子側にほぼテレセントリックな関係にあり、前記第１の拡大像が第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、その画角が９０度以上であることを特徴とする投写光学ユニット。
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に正の屈折力を持つフィールドレンズ群を配置し、前記第１の拡大像が、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請求項１または３に記載の投写光学ユニット。
前記第１の拡大像が、前記フィールドレンズ群よりも前記第１レンズ群側に結像することを特徴とする請求項４に記載の投写光学ユニット。
前記第２レンズ群とフィールドレンズ群の間に光路折り返し手段を配置したことを特徴とする請求項４に記載の投写光学ユニット。
前記光路折り返し手段が全反射ミラーを含むことを特徴とする請求項４に記載の投写光学ユニット。
前記光路折り返し手段がプリズム素子を含むことを特徴とする請求項４に記載の投写光学ユニット。
前記第１レンズ群の光軸に対して、前記第２レンズ群の光軸をシフトさせたことを特徴とする請求項１または３に記載の投写光学ユニット。
映像表示素子に表示された画像をスクリーン上に拡大投影する投写光学ユニットにおいて、
映像表示素子からスクリーンまでの光路に、前記画像の光の進行方向に沿って順に配置された、
正の屈折力を有する第１のレンズ群、及び
該第１のレンズ群によって得られた第１の拡大像を更に拡大するための正の屈折力を有する第２のレンズ群、を備え、
前記第１のレンズ群全体、もしくはその一部のレンズ素子を交換可能に構成したことを特徴とする投写光学ユニット。
前記映像表示素子の有効画面寸法が変更された場合に、前記第１の拡大像の絶対寸法、及び前記第２レンズ群によりスクリーン上に形成される第２の拡大像の絶対寸法を維持するように、前記第１群レンズ全体またはその一部のレンズ素子が交換されることを特徴とする請求項１０に記載の投写光学ユニット。
映像表示素子に表示された画像をスクリーン上に拡大投影する投写光学ユニットにおいて、
映像表示素子からスクリーンまでの光路に、前記画像の光の進行方向に沿って順に配置された、
正の屈折力を有する第１のレンズ群、及び
該第１のレンズ群によって得られた第１の拡大像を更に拡大するための正の屈折力を有する第２のレンズ群、を備え、
前記第２のレンズ群により形成されたスクリーン上への第２の拡大像が、前記映像表示素子に対して正立像の関係となることを特徴とする投写光学ユニット。
投写型カラー映像表示装置において、
赤、緑、青の３原色の光束を放射する光源と、
入力された映像信号の振幅により前記光束の光強度を画素毎に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子により変調された光束を、スクリーン上に拡大投影する投写光学ユニットと、を備え、
前記投写光学ユニットは、前記映像表示素子から前記スクリーンまでの光路内において、少なくとも２回以上拡大像を得るように構成されることを特徴とする投写型カラー映像表示装置。
投写型カラー映像表示装置において、
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手段と、
光束分光手段からの３原色の光束にそれぞれ対応して設けられ、入力された映像信号の振幅に基づいて、該３原色の光束の光強度をそれぞれ画素毎に変調する複数の映像表示素子と、
該複数の映像表示素子によって変調された光束を合成する光合成手段と、
該光合成手段によって合成された光束をスクリーン上に拡大投影する投写光学ユニット、とを備え、
前記投写光学ユニットは、前記映像表示素子から前記スクリーンまでの光路内において、少なくとも２回以上拡大像を得るように構成されることを特徴とする投写型カラー映像表示装置。
前記投写光学ユニットは、前記映像表示素子側からスクリーン側にかけて順に、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レンズ群とを含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の投写型カラー映像表示装置。
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１４に記載の投写型カラー映像表示装置。
背面投写型カラー映像表示装置において、
映像表示素子と、スクリーンと、前記映像表示素子に表示された画像を拡大して前記スクリーンの背面から投影する投写光学ユニットとを備え、
前記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のレンズ群と、
該第１のレンズ郡のスクリーン側に位置し、前記第１のレンズ群によって得られた第１の拡大像を更に拡大して前記スクリーンに第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２のレンズ群と、
を含み、前記第１の拡大像が前記第２レンズ群よりも映像表示素子側において結像することを特徴とする背面投写型カラー映像表示装置。
前記第１の拡大像の倍率Ｍ１は、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請求項１７に記載の背面投写型カラー映像表示装置。
背面投写型カラー映像表示装置において、
映像表示素子と、スクリーンと、前記映像表示素子に表示された画像を拡大して前記スクリーンの背面から投影する投写光学ユニットとを備え、
前記投写光学ユニットは、前記画像の光の進行方向に沿って順に配置された、
正の屈折力を有する第１のレンズ群、及び
該第１のレンズ群によって得られた第１の拡大像を更に拡大するための正の屈折力を有する第２のレンズ群、を備え、
前記第１レンズ群は映像表示素子側にほぼテレセントリックな関係にあり、前記第１の拡大像が第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、その画角が９０度以上であることを特徴とする背面投写型カラー映像表示装置。
前記第１レンズ群は、前記スクリーン画面水平方向に対して概ね平行に配置されることを特徴とする請求項１７または１９に記載の背面投写型カラー映像表示装置。
前記映像表示素子は、光源から放出された３原色の光束を、入力された映像信号に基づいて画素毎に変調するものであり、前記投写光学ユニットからの光束は、光路折り返しミラーによって反射されて前記スクリーンの背面から投影されることを特徴とする請求項１７または１９に記載の背面投写型カラー映像表示装置。
背面投写型カラー映像表示装置において、
映像表示素子と、スクリーンと、前記映像表示素子に表示された画像を拡大して前記スクリーンの背面から投影する投写光学ユニットとを備え、
前記投写光学ユニットは、画面水平方向に画像光束を導く第１のユニットと、該第１のユニットによって導かれた画像光束を、画面水平方向と直交する方向に折り返すためのミラーと、該ミラーによって折り返された画像光束を前記スクリーンに投影して拡大像を形成する第２のユニットとを含むことを特徴とする背面投写型カラー映像表示装置。