JP2523106B2

JP2523106B2 - 投写形テレビ用光学系

Info

Publication number: JP2523106B2
Application number: JP61015937A
Authority: JP
Inventors: 京平福田; 宗一桜井; 浩二平田; 繁森
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-29
Filing date: 1986-01-29
Publication date: 1996-08-07
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: JPS62174711A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、投写形テレビ受像機において、その受像管
からスクリーン上に画像を投写するための投写形テレビ
用光学系に関するものである。

〔発明の背景〕

テレビ受像機の画像再生面を大型化して、小型の画面
では得られない、迫力に富んだ画像を得たいという要求
が強まるにつれ、ブラウン管（受像管）の蛍光面に再生
された画像を、レンズ、ミラーなどの投写光学系によ
り、スクリーン上に拡大投写して大画面の像を得るよう
にした、いわゆる投写形テレビが広く用いられるように
なってきた。

かかる投写形テレビにおいて、これまで色々な改良が
加えられた結果、数年前と比較すると、大きな進歩が見
られる。しかし、投写形テレビのより一層の市場拡大を
図るには、画質の向上、それに奥行き寸法、高さ寸法の
低減による全体的コンパクト化、そして低価格化が必要
である。

特に画像投写のための光学系の良否は、これらの各種
要因に大きな影響を及ぼす。光学系を構成するレンズと
しては、ガラスレンズとプラスチックレンズが用いられ
ているが、それぞれ一長一短がある。

プラスチックレンズを用いた代表的な光学系として
は、米国特許第4526442号明細書に記載のものがあり、
これは少ない構成枚数のレンズを用いてＦ値1.0を達成
しており、またミラーを内蔵しているため、セットのコ
ンパクト化が図られている。しかし、そのフォーカス性
能については、以下に述べるような問題があり、ガラス
レンズを用いた光学系と比べて劣っていると云わざるを
得ないのが実状である。

さて、その問題とは次のようなものである。

（イ）軸上に発生する色収差に対する対策を考慮した設
計となっていないため、投写画像の画面中心部のフォー
カス特性が悪い。

（ロ）投写画像の画面周辺部についても、フォーカス特
性はガラスレンズを用いた場合よりも劣る。

（ハ）周囲温度、温度等の環境条件により、レンズを構
成するプラスチックの性能が変動し、そのためフォーカ
ス特性が劣化する。

また以上の問題のほか、投写形テレビでは、その画面
を明るくするために、ブラウン管に大きなパワー（電
力）を入力しているので、そのことにより温度が上昇
し、ブラウン管が割れるかも知れないという危険性があ
る。そのほかブラウン管の管面に最も近い位置にあるレ
ンズも高温となり、そのレンズがプラスチックレンズの
場合には、変形を生じるという問題がある。

これらの問題を解決するために、従来は第９図に示す
ような液冷ブラウン管が用いられている。

同図において、１は冷却液、２は放熱板である。すな
わちブラウン管の管面前部に冷却液１が封止されてお
り、これの対流により管面から熱を奪って運び放熱板２
から放散されるわけである。

さらに、その他の問題としては、光学系を構成するレ
ンズの界面における反射により、不要光が発生し、画面
のコントラストを劣化させるという問題がある。

この不要光については、反射率の大きい面からの不要
光ほど、その影響が大きい。レンズ界面の反射率は数％
程度であるが、ブラウン管蛍光面の反射率は50％程もあ
る。したがって、レンズ界面で反射し、さらに蛍光面で
反射した後、スクリーンに達する光が最もコントラスト
を劣化させる。すなわち、ブラウン管に近いレンズ面か
らの反射を低減させることが、コントラストの改善に有
効である。

このような考えから、第10図に示すように、ブラウン
管の管面と、その前部に位置する凹レンズ３との間を、
屈折率が該レンズならびにブラウン管ガラスのそれに近
い値をもつ媒質４で満たすことによって界面の反射を低
減させ、それによってコントラストの改善を図る試みが
なされている。しかしこのようにすると、今度は構造が
複雑となり、コストが増大するという問題が発生する。

この問題を解決するために構造の簡略化を図った液冷
投写管として、第11図に示す如き構成が考えられる。す
なわち、第11図に示す構成は、冷媒１をブラウン管の管
面とレンズ３とで直接封止する構成をとったものであ
る。

その際凹レンズ３として、プラスチックレンズを用い
たとすると、冷媒がレンズ構成体であるプラスチックを
通して、失水するという問題、温度上昇のためにプラス
チックレンズが変形するという問題、冷媒とこれに接す
るプラスチックとの間で化学反応が起こり、プラスチッ
クレンズが変質するという問題などが発生することがあ
り、これらの問題を解決するためには、凹レンズ３とし
てガラスレンズを用いることが有利であると考えられ
る。

しかし、一般に米国特許第4526442号明細書で述べら
れている如きタイプの光学系では、そこに用いられる凹
レンズは、非球面形状をとるものでないと、十分な光学
性能が得られないという問題がある（ガラスレンズで非
球面形状を構成することは技術的に困難とされてい
る）。

またさらに、凹レンズの寸法としては、大略ブラウン
管蛍光面の有効サイズと同じ位の大きさ寸法を確保する
必要があるので、凹レンズをガラスで構成したときに
は、プラスチックで構成する場合に比べて値段が高くな
るという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、投写距離の短縮ならびにレンズ系の
全体長、レンズ系の口径寸法の短縮を図り、しかもフォ
ーカス性能の向上、投写形テレビセットのコンパクト化
を可能とし、更にまたブラウン管の冷却方法およびブラ
ウン管の管面とレンズとの間の結合構造の簡略化を図っ
て信頼性の向上、コストダウンを可能とした投写形テレ
ビ用光学系（レンズ系）を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明では、以下に述べ
るような広画角短焦点レンズ系を用いることとした。

米国特許第4526442号にかかるレンズで代表される投
写形テレビ用プラスチックレンズでは、その軸上色収差
を取除いていない。これは、光源として、青、緑、赤の
３本のブラウン管を用いるため、それぞれのブラウン管
から単色光を投写するという考えに基づいているからで
ある。

しかし実際には青、緑、赤の各蛍光体の蛍光スペクト
ルは完全な輝線となっておらず、第12図に示すようなス
ペクトル幅を持っている。上記米国特許明細書に記載の
実施例について言えば、スクリーン上280TV本のMTF（Mo
dulation Transfer Function）は、スペクトル分布を理
想的な輝線分布としたときには、殆ど100％であるが、
実際の蛍光体の、幅をもった蛍光スペクトル分布のもと
では70％位に劣化し、普通に用いられているガラスレン
ズのそれよりも悪い。

したがってプラスチックレンズのMTF改善のためには
色収差を低減する必要がある。色収差低減のために、一
般には低分散の凸レンズ、高分散の凹レンズを組合わせ
ることが行われているが、そうすると所要のレンズ枚数
が増し、低コストというプラスチックレンズの長所を損
うことになる。

色収差は一般に焦点距離に比例する。そこで米国特許
第4526442号明細書に示す如きレンズタイプの場合、焦
点距離を短くすることが有効である。しかし一般に焦点
距離を短くすると、倍率を同一としたとき画角が増大
し、レンズ設計としては非常に困難となる。

本発明では後述するようなレンズ構成とすることによ
って広画角化を達成し、スクリーンの中心のみならず周
辺部でのMTFをも従来より格段に改善したものである。
またブラウン管の管面に最も近い位置にあるレンズに
は、温度、冷媒等により特性の劣化しない球面のガラス
レンズを用いるのが好都合である。その場合、ガラスレ
ンズの形状としては、スクリーン側を凹面とした凹メニ
スカスレンズを用いることとして、その重量、外径を低
減させ、低コスト化を図っている。

以上述べた事柄を実現するために、本発明による投写
形テレビ用光学系は、スクリーン側から受像管の管面に
かけて次の順序で、（イ）パワー（焦点距離の逆数）が相対的に小さく、少
なくともその一面が非球面形状をなしており、スクリー
ン側の面の中央部を後記第２のレンズのスクリーン側の
面と同じ方向に湾曲させると共に、前記スクリーン側の
面の周辺部がスクリーン側に凹状の形状である第１のレ
ンズ、（ロ）全系で最も正のパワーが大きくスクリーン側球面
の曲率を受像管側球面の曲率よりも大きく設定した両面
凸形状の第２のレンズ、（ハ）パワーが相対的に小さく、少なくともその一面が
非球面形状をなしており、受像管側の面の中央部を前記
第２のレンズの受像管側の面と同じ方向に湾曲させると
共に、前記受像管側の面の周辺部の曲率を中央部の曲率
より小さく設定した第３のレンズ、（ニ）負のパワーが相対的に強く、両面共にスクリーン
側に曲率中心を持つ方向に湾曲した第４のレンズ、（ホ）次の式を満足する湾曲面で形成された前記受像管
の蛍光面、 0.4＜△Z/（r²/2R）＜0.7 を具備し、（ヘ）次の関係式、 0.1＜P₁/P₀＜0.19 0.86＜P₂/P₀＜0.9 0.25＜P₃/P₀＜0.33 0.82＜|P₄/P₀|＜0.95 が成立するように構成したことを特徴としている。

但し、Ｒは湾曲形状を成す前記螢光面の中心近傍にお
ける曲率半径、ｒは光軸に対して垂直な面において前記
螢光面の中心相当位置からラスター最外周相当位置に至
るまでの直線距離、△Ｚは、前記螢光面の中心位置から
前記ラスター最外周相当位置に至る間の、光軸方向の形
状変化量を示す。

またP₀は全系のパワー、P₁、P₂、P₃及びP₄はそれぞれ
第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズ及び第４の
レンズのパワーを示す。

〔発明の実施例〕

次に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例としての投写形テレビ用光
学形を示す断面図である。

同図において、５はブラウン管蛍光面、６はスクリー
ン、７は第１レンズ、８は第２レンズ、９は第３レン
ズ、10は第４レンズ、11は冷却液、12はガラスバルブで
ある。

第１図に示した光学系は、ブラウン管蛍光面５上の長
さ4.5インチのラスターをスクリーン６上に45インチに
つまり10倍に拡大したときに最良性能が得られるように
構成してある。第１レンズ７からスクリーン６までの距
離Ｌいわゆる投写距離は700mmとなっている。画角にす
ると約40度となり、従来普通に用いられているレンズ系
による投写距離及び画角はそれぞれ1200mm、約25度であ
るから、これに比べて超広角レンズとなっていることが
分かるであろう。

第１レンズ７は口径に基づく球面収差を除くために非
球面形状となっている。第２レンズ８は、温度変化によ
るフォーカスドリフトを低減するために、ガラスレンズ
とし、かつパワーを出来るだけ大きくしている。第３レ
ンズ９は、高次のコマ、非点収差を除くために非球面構
成とし、かつパワーは出来るだけ小さくしている。第４
レンズ10は像面湾曲補正用レンズであるが、前述したよ
うにブラウン管から発生する発熱を受けるので、これに
よる加熱等に耐えられるようにガラスレンズとして構成
し、またコストを出来るだけ安くするために、凹メニス
カスレンズとしている。

またブラウン管蛍光面５は像面湾曲を補正するため
に、曲率を持たせている。特に高次の像面湾曲を補正す
るために非球面形状となっている。一般に、ブラウン管
の蛍光面側はプレス加工を施すのみで後加工はしないた
め、その形状が非球面であっても製法自体は変わらな
い。中心部については、本発明によるレンズ系（光学
形）は球面収差が殆んどゼロであり、色収差のみ発生す
る。前述した米国特許明細書に記載のものと比べて色収
差は、（700/1,200）となり、約40％のセンターフォー
カス改善となる。

本レンズ系で用いているプラスチックレンズは非常に
パワーが小さい。すなわち薄肉でかつ、中心と周辺の肉
厚差が小さく、成形で作りやすいレンズとなっている。
本レンズ系のとり得る具体的レンズデータを第1A図乃至
第1D図にそれぞれ示す。全てレンズのＦナンバーは1.0
であり、非常に高輝度を達成している。画面は40度であ
る。

第1A図の読み方を以下、説明する。光軸付近のレンズ
領域を扱う近軸系とその外周部の非球面系とに分けてデ
ータを示してある。

先ず、スクリーン６は、曲率半径が∝（すなわち平
面）であり、光学性能的に保証される有効半径（クラッ
プ半径）が600mm、スクリーン面から第１レンズ７の面S
1までの光軸上の距離（面間隔）が701.0mm、その間の
（空気の）屈折率が1.0であることが示されている。

また第１レンズ７のS1面の曲率半径は89.5209mmであ
り、クラップ半径（光学性能的に有効な半径）は40.0mm
であり、レンズ面S1とS2の間の光軸上の間隔（面間隔）
が7.049mmであり、その間の屈折率が1.4936であること
が示されている。

以下、同様にして、ガラスバルブ12の蛍光面５（P1）
の曲率半径が−171.05mm、クラップ半径が65.0mm、ガラ
スバルブ12の光軸上の厚みが13.3mm、屈折率が1.5401で
あることが示されている。

次に第１レンズ７の面S1およびS2と第３レンズ９の面
S5およびS6と蛍光面５（P1）について非球面係数が示さ
れている。

ここで、非球面係数とは、面形状を次式で表現したと
きの係数である。

但し、Ｚは、第1F図に見られる如く、光軸方向をＺ軸
にとり、レンズの半径方向をｒ軸にとったときのレンズ
面の高さ（ｒの関数）を表わし、ｒは半径方向の距離を
示し、R_Dは曲率半径を示している。従って、CC,AD,AE,A
F,AG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、つまり形状が定まるわけである。

以上により、第1A図に示したデータの内容が理解でき
るようになったであろう。

なお、第１図において、第２レンズ８と第４レンズ10
は、球面レンズであるので、非球面係数はすべて零であ
ることを申し添えておく。

第1B図乃至第1D図は、それぞれ他のレンズデータの具
体例を示した説明図である。

これらの図の読み方は、第1A図のそれと同じであるか
ら繰り返さない。

本発明による光学系は、以上説明した如き、構成のレ
ンズ及びブラウン管を用いることによって、従来よりも
大幅に投写距離を短くし、かつフォーカス性能を向上す
ることができた。

次に、以上説明した如き本発明による光学系を用い
て、蛍光面上の4.5インチの像をスクリーン上に、45イ
ンチに拡大して投写したときのMTF（Modulation Transf
er Function）によるフォーカス特性の評価結果を第２
図乃至第５図に示す。このときの蛍光体発光スペクトル
は第12図に示すものを用いた。

ここで、第２図は第1A図に対応した特性図、第３図は
第1B図に対応した特性図、第４図は第1C図に対応した特
性図、第５図は第1D図に対応した特性図、である。

なお、ブラウン管上での黒，白の縞信号の周波数とし
て、140TV本をとった場合と、280TV本をとった場合につ
いて示している。

第２図乃至第５図から本発明の実施例は、非常に良好
なMTF特性を示していることが分かる。280TV本のMTF特
性については、米国特許第4526442号明細書に示すもの
と較べて、全画角をならして見たとき、50％以上改善さ
れている。

第６図は、第1A図に示した実施例に対するディストー
ション特性図である。

他の実施例についてもこれと近い値となっている。第
６図によれば、ディストーションが7.3％と若干大きく
でている。しかしこのディストーション特性は単調関数
に従う特性であり、ブラウン管上にバレル歪を発生させ
ることによってディストーションを打ち消し、スクリー
ン上に歪のないラスターを生成することができる。

このバレル歪は、偏向ヨークに補正電流を流すか、あ
るいは偏向ヨーク後部に設けたコンバーゼンスヨークに
補正電流を流すことによって発生させることができる。

また本発明による光学系は、投写距離が従来の光学系
と較べて短縮されているが、同時に全体寸法も非常に小
型になっている。米国特許第4526442号明細書に示すも
のと比べて、レンズ系の長さ、口径とも30〜50％短縮化
されている。

その結果、安価なレンズ系を実現でき、また投写テレ
ビセットもコンパクト化できる。

第1A図乃至第1D図に示す各実施例について、全系のパ
ワーをP₀、第１レンズ，第２レンズ，第３レンズおよび
第４レンズの各パワーをそれぞれP₁,P₂,P₃およびP₄とし
たとき、第1E図に示した関係が成立している。

第1E図から 0.1＜P₁/P₀＜0.19 0.86＜P₂/P₀＜0.9 0.25＜P₃/P₀＜0.33 0.82＜P₄/P₀＜0.95 の関係が成立していることが分かる。

また蛍光面の非球面形状について次のことが云える。
以下、第７図を参照して説明する。

第７図は蛍光面５の非球面形状を示す説明図である。
同図に見られるように、中心軸上の曲率半径をＲ、中心
から2.25インチ、すなわち57mmだけ中心軸に直交する方
向に隔ったところの蛍光面上の一点と蛍光面中心相当位
置との間の軸方向偏位をΔＺとすると、蛍光面がもし球
面であったとすると、 ΔＺ＝（57²）／（2R）の関係が成立するのであるが、この場合、球面ではなく
非球面であるから、上記の関係は成立せず、それから少
しずれる。そこで（57²）／（2R）＝ΔZ₁とおき、第1A
図乃至第1D図に示した各実施例につき、実際に得られる
ΔＺの寸法をΔZ₁と比較し、どれだけずれるかを整理し
て示した説明図が第８図である。

この第８図に示したデータから 0.4＜ΔZ/ΔZ₁/0.7 −300＜Ｒ＜−100 となっていることが分かる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、投写画像の画
面中心部及び周辺部のフォーカス性能を従来技術による
ものと比べて大幅に改善することができる。また投写距
離およびレンズ長（光学系の長さ）が短くなった結果、
投写形TVセットをコンパクト化できる。

例えば、スクリーンサイズ45インチのセットについて
言えば、米国特許第4526442号明細書に示されたレンズ
の場合に比べて、奥行きを15〜20cmも短縮化できる。ま
たレンズ（光学系）も小型化できた結果、大幅にコスト
を下げることができる。

さらに使用する凹レンズをメニスカス形状のガラスレ
ンズとすることも可能であり、ブラウン管とこのレンズ
の間の冷却液で満たしたときには、冷却構造を従来より
も簡略な構造で実現出来たことになり、また信頼性も向
上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第1A図乃至第
1D図はそれぞれ本発明の一実施例におけるレンズデータ
の具体例を示す説明図、第1E図は第1A図乃至第1D図の全
体をまとめて整理したデータの説明図、第1F図はレンズ
の面形状の定義の説明に用いる説明図、第２図乃至第５
図はそれぞれ本発明の実施例に対するMTF特性を示した
特性図、第６図は本発明の実施例に対するディストーシ
ョン特性図、第７図は蛍光面の非球面形状の説明図、第
８図は本発明の実施例における蛍光面の非球面形状を示
すデータをまとめて示した説明図、第９図は従来の液冷
投写管の構造を示す断面図、第10図はコントラストの改
善を図った従来の投写管の構造を示す断面図、第11図は
構造の簡略化を図った従来の液冷投写管の構造を示す断
面図、第12図は蛍光体の発光スペクトル特性図、であ
る。符号の説明１……冷媒（冷却液）、２……放熱板、３……凹レン
ズ、４……媒質、５……ブラウン管蛍光面、６……スク
リーン、７……第１レンズ、８……第２レンズ、９……
第３レンズ、10……第４レンズ、11……冷却液、12……
ガラスバルブ、

フロントページの続き (72)発明者森繁横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所家電研究所内 (56)参考文献特開昭61−11717（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−49311（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】テレビ受像機の受像管からスクリーン上に
画像を投写するための投写形テレビ用光学系において、
スクリーン側から受像管の管面にかけて次の順序で、（イ）パワー（焦点距離の逆数）が相対的に小さく、少
なくともその一面が非球面形状をなしており、スクリー
ン側の面の中央部を後記第２のレンズのスクリーン側の
面と同じ方向に湾曲させると共に、前記スクリーン側の
面の周辺部がスクリーン側に凹状の形状である第１のレ
ンズ、（ロ）全系で最も正のパワーが大きくスクリーン側球面
の曲率を受像管側球面の曲率よりも大きく設定した両面
凸形状の第２のレンズ、（ハ）パワーが相対的に小さく、少なくともその一面が
非球面形状をなしており、受像管側の面の中央部を前記
第２のレンズの受像管側の面と同じ方向に湾曲させると
共に、前記受像管側の面の周辺部の曲率を中央部の曲率
より小さく設定した第３のレンズ、（ニ）負のパワーが相対的に強く、両面共にスクリーン
側に曲率中心を持つ方向に湾曲した第４のレンズ、（ホ）次の式を満足する湾曲面で形成された前記受像管
の蛍光面、 0.4＜△Z/（r²/2R）＜0.7 を具備し、（ヘ）次の関係式、 0.1＜P₁/P₀＜0.19 0.86＜P₂/P₀＜0.9 0.25＜P₃/P₀＜0.33 0.82＜|P₄/P₀|＜0.95 が成立するように構成したことを特徴とする投写形テレ
ビ用光学系。但し、Ｒは湾曲形状を成す前記螢光面の中心近傍におけ
る曲率半径、ｒは光軸に対して垂直な面において前記螢
光面の中心相当位置からラスター最外周相当位置に至る
までの直線距離、△Ｚは、前記螢光面の中心位置から前
記ラスター最外周相当位置に至る間の、光軸方向の形状
変化量を示す。またP₀は全系のパワー、P₁、P₂、P₃及びP₄はそれぞれ第
１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズ及び第４のレ
ンズのパワーを示す。