JP2764778B2

JP2764778B2 - 投写形テレビ用光学系

Info

Publication number: JP2764778B2
Application number: JP4292516A
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: 1992-10-30
Filing date: 1992-10-30
Publication date: 1998-06-11
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JPH05323188A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】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。【０００２】【従来の技術】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）
の螢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。【０００３】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。【０００４】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。【０００５】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
いると言わざるを得ないのが実状である。【０００６】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。【０００７】（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）周辺温度、湿度の環境条件により、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。【０００８】また、以上の問題のほか、投写テレビで
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。【０００９】【発明が解決しようとする課題】これらの問題を解決す
るために、従来は図９に示すような液冷ブラウン管が用
いられている。【００１０】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。【００１１】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。【００１２】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、ブラウン管螢光面の反射率は
５０％程もある。したがって、レンズ界面で反射し、さ
らに螢光面で反射した後、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。【００１３】このような考えから、図１０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。【００１４】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、図１１に示す如き構成が考え
られる。すなわち、図１１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。【００１５】この際凹レンズ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。【００１６】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
こに用いられている凹レンズは、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。）。【００１７】またさらに、凹レンズの寸法としては、大
略ブラウン管螢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。【００１８】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。【００１９】【課題を解決するための手段】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
ズ系を用いることにした。【００２０】米国特許第４５２６４４２号にかかるレン
ズで代表される投写形プラスチックレンズでは、その軸
上色収差を取り除いていない。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。【００２１】しかし実際には青、緑、赤の螢光体の螢光
スペクトルは完全な輝線となっておらず、図１２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２８０Ｔ
Ｖ本のＭＴＦ(Modulation 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、ほとん
ど１００％であるが、実際の螢光体の、幅をもった螢光
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。【００２２】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
ズの長所を損なうことになる。【００２３】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。【００２４】【作用】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、スクリーン中心のみなら
ず周辺部のＭＴＦをも従来より格段に改善したものであ
る。またブラウン管に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。【００２５】以上述べた事柄を実現するために、本発明
による光学系は、スクリーン側から受像管の管面にかけ
て（イ）パワー（焦点距離の逆数）が相対的に小さく，ス
クリーン側の面の中央部及び受像管側の面の中央部が共
にスクリーン側に向けて凸の形状をなしており，さら
に，前記スクリーン側の面の周辺部の曲率を中央部の曲
率よりも小さくなる形状とした第１のレンズ，（ロ）正のパワーが最も大きく，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凸レン
ズから成る第２のレンズ，（ハ）正のパワーが相対的に小さく，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の中央部と同じ
方向に湾曲させるとともに，受像管側の面の周辺部の曲
率を中央部の曲率よりも小さくなる形状にした第３のレ
ンズ，（ニ）負のパワーが相対的に大きく，スクリーン側の面
及び受像管側の面は共にスクリーン側に曲率中心を有す
るよう湾曲したメニスカス形状としたレンズから成る第
４のレンズ，（ホ）スクリーン側に曲率中心を有する湾曲した面の前
記受像管の蛍光面，の順序で，前記レンズ及び蛍光面を
相互に離間して配置することにより構成したことを特徴
としている。【００２６】【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。図１は本発明の一実施例としての投写形テレ
ビ用光学系を示す断面図である。【００２７】同図において、５はブラウン管螢光面、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。【００２８】図１に示した光学系は、ブラウン管螢光面
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。【００２９】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。【００３０】またブラウン管螢光面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
ラウン管の螢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
（光学系）は球面収差が殆どゼロであり、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。【００３１】本レンズ系で用いられ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
表１乃至表４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。画角は
４０度である。【００３２】【表１】【００３３】【表２】【００３４】【表３】【００３５】【表４】【００３６】表１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。【００３７】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Ｓ１までの光軸上の距離（面間隔）が７０
１．０ｍｍ、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。【００３８】また第１レンズ７のＳ１面の曲率半径は８
９．５２０９ｍｍ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Ｓ
２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。【００３９】以下、同様にして、ガラスバルブ１２の螢
光面５（Ｐ１）の曲率半径が−１７１．０５ｍｍ、クラ
ップ半径が６５．００ｍｍ、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。【００４０】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と螢光面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。【００４１】【数１】【００４２】但し、Ｚは、図２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、ＡＦ、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。【００４３】以上により、表１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、図１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。【００４４】表２乃至表４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、表１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。【００４５】次に、以上説明した如き本発明による光学
系を用いて、螢光面上の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（Ｍ
ｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉ
ｏｎ）によるフォーカス特性の評価結果を図３乃至図６
に示す。このときの螢光体発光スペクトルは図１２に示
すものを用いた。【００４６】ここで、図３は表１に対応した特性図、図
４は表２に対応した特性図、図５は表３に対応した特性
図、図６は表４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。【００４７】図３乃至図６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。２８０
ＴＶ本のＭＴＦ特性については、米国特許第４５２６４
４２号明細書に示すものと比べて、全画角をならして見
たとき、５０％以上改善されている。【００４８】図７は、表１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。図７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。【００４９】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。【００５０】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。【００５１】表１乃至表４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及びＰ₄としたとき、表５に示した関係が成立して
いる。【００５２】【表５】【００５３】表５から０．１＜Ｐ₁／Ｐ₀＜０．１９０．８６＜Ｐ₂／Ｐ₀＜０．９０．２５＜Ｐ₃／Ｐ₀＜０．３３０．８２＜Ｐ₄／Ｐ₀＜０．９５の関係が成立していることが分かる。【００５４】また螢光面の非球面形状について次のこと
が云える。以下、図８を参照して説明する。図８は螢光
面５の非球面形状を示す説明図である。【００５５】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たったところの螢光面上の
一点と螢光面中心相当位置との間の軸方向偏位をΔｚと
すると、螢光面がもし球面であったとすると、【００５６】Δｚ＝（５７²）／（２Ｒ）【００５７】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、表１乃至表４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が表６である。【００５８】【表６】【００５９】この表６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。【００６０】【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。【００６１】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１５〜２
０ｍｍも短縮できる。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。【００６２】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
このレンズの間を冷却液で満たしたときには、冷却構造
を従来より簡略な構造で実現できたことになり、また信
頼性も向上する。

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。【図２】レンズの面形状の定義の説明に用いる説明図で
ある。【図３】本発明の実施例に対するＭＴＦ特性を示した特
性図である。【図４】本発明の実施例に対するＭＴＦ特性を示した特
性図である。【図５】本発明の実施例に対するＭＴＦ特性を示した特
性図である。【図６】本発明の実施例に対するＭＴＦ特性を示した特
性図である。【図７】本発明の実施例に対するディストーション特性
図である。【図８】螢光面の非球面形状の説明図である。【図９】従来の液冷投写管の構造を示す断面図である。【図１０】コントラストの改善を図った従来の投写管の
構造を示す断面図である。【図１１】構造の簡略化を図った従来の液冷投写管の構
造を示す断面図である。【図１２】螢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…ブラウン管螢光面、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)発明者平田浩二神奈川県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 (72)発明者森繁神奈川県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61−11716（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−9613（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−49311（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−155818（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−133517（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】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（イ）パワー（焦点距離の逆数）が相対的に小さく，ス
クリーン側の面の中央部及び受像管側の面の中央部が共
にスクリーン側に向けて凸の形状をなしており，さら
に，前記スクリーン側の面の周辺部の曲率を中央部の曲
率よりも小さくなる形状とした第１のレンズ，（ロ）正のパワーが最も大きく，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凸レン
ズから成る第２のレンズ，（ハ）正のパワーが相対的に小さく，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の中央部と同じ
方向に湾曲させるとともに，受像管側の面の周辺部の曲
率を中央部の曲率よりも小さくなる形状にした第３のレ
ンズ，（ニ）負のパワーが相対的に大きく，スクリーン側の面
及び受像管側の面は共にスクリーン側に曲率中心を有す
るよう湾曲したメニスカス形状としたレンズから成る第
４のレンズ，（ホ）スクリーン側に曲率中心を有する湾曲した面の前
記受像管の蛍光面，の順序で，前記レンズ及び蛍光面を相互に離間して配置
することにより構成したことを特徴とする投写形テレビ
用光学系。２．請求項１に記載の投写形テレビ用光学系において、
全系のパワーをＰ₀，前記第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それぞ
れＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄としたとき，０．１＜Ｐ₁／Ｐ₀＜０．１９０．８６＜Ｐ₂／Ｐ₀＜０．９０．２５＜Ｐ₃／Ｐ₀＜０．３３０．８＜｜Ｐ₄／Ｐ₀｜＜０．９５であることを特徴とする投写形テレビ用光学系。