JP3429843B2 - 投写レンズ及び画像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投写形画像表示装置に
係り、特に、コンパクトな形態で画面周辺部まで明るい
投写画像が得られ、かつ、投写距離の短い広画角の投写
レンズとこれを用いたコストパフォーマンスの良い画像
表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ハイビジョン等の高精細な画像を
楽しめるようにするために、ディスプレイ装置の大画面
化が進められている。このような大画面のディスプレイ
装置としては、従来から直視形と投写形の２つのタイプ
が別個に開発されており、夫々に一長一短がある。一般
的に、直視形よりも投写形のほうが、重量や奥行き、コ
ストの点で有利であるが、画面の明るさ、解像度の点で
は劣ると見られてきた。しかし、最近の投写形ディスプ
レイ装置では、投写管や投写レンズ、スクリーンといっ
たキーパーツの改良によって上記の問題点がかなり改善
されつつあり、家庭内での設置し易さや運び易さを考え
ると、今後広く普及することが予想される。

【０００３】このような投写形ディスプレイ装置の開発
過程において、特に投写レンズについては、米国特許４
６８２８６２号公報、特開昭６３−２６４７１６号公報
等に開示されているように、直視形に匹敵する画面の明
るさを確保するために、非球面レンズを多用することに
よってＦ値の低減が試みられてきた。また、最近では特
開平０３−９５５１２号公報に開示されているように、
明るさとフォーカス性能の向上を狙って、ガラスのダブ
レツトレンズを使用する例もある。この結果、現在の投
写形テレビジョン受像機においてはｆ／１.０程度の投
写レンズが使用され、画面中央部においては、充分実用
的な明るさが確保されてきている。

【０００４】また、こうした大口径の投写レンズを複数
本搭載する現状の投写形画像表示装置は、上記したよう
に同じサイズの直視形に比べて低コストであるが、普及
を広めるには、さらにコストを低減する必要がある。大
規模な集積化によってコスト低減が見込める回路部品に
比べ、既に枚数が４〜５枚程度に低減されている投写レ
ンズのコスト低減は、困難になってきている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】こうした現状の投写形
テレビジョン受像機を直視形テレビジョン受像機と比較
した場合、性能上特に目につくのは、画面周辺部の光量
不足であり、投写レンズの周辺光量を増加する必要があ
る。現状の直視形テレビの画面周辺部における輝度は、
例えば、代表点として相対像高＝０．９の像点で比較し
た場合、画面中心比６０％程度であるが、投写形テレビ
では３０％程度と低い。

【０００６】また、投写形テレビの最大の特長であるコ
ンパクト性を生かすには投写距離を更に短くする必要が
ある。現状では、投写距離の短い投写レンズはその半画
角が３５°前後であるが、例えば、画面サイズ４０イン
チで奥行き４０ｃｍ程度のコンパクトなセットを実現す
るには半画角が３８°程度の投写レンズが必要である。

【０００７】さらに、投写レンズのコストにおいては、
カメラ用等の小形レンズに比べて容積が桁違いに大きい
ガラスパワーレンズが全体でも大きなウェイトを占めて
いる。このため、ガラスレンズ用材料として低コスト材
料の使用が考えられるが、屈折率が高く単色収差を補正
しやすい材料は分散が大（低アッベ数）で色収差を発生
しやすく、逆に、分散が小（高アッベ数）で色収差を抑
えやすい材料は、屈折率が低く単色収差を補正しにくい
というように、光学設計上バランスのとれた材料はな
い。

【０００８】本発明の目的は、以上述べた問題点を改善
し、画面周辺部での輝度を高め、画面サイズに対して投
写距離を短くすることができるようにした広画角の投写
レンズとこれを用いて低コスト化を図れる画像表示装置
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では投写レンズ単体と、その装置への適用方
法に工夫を施した。

【００１０】まず、投写レンズを、正のパワーを有する
１つの両凸形状のレンズ群と、その前後に少なくとも２
つずつ配置された４つの非球面レンズ群との５群で構成
し、該両凸形状のレンズ群は全系のパワーの７割以上の
パワーを有し、その他のパワーの小さな非球面レンズ４
枚については個々のレンズの中心部のパワーを所定の範
囲に設定し、更に、個々の非球面レンズの周辺形状を所
定の傾向を保つ形状とすることによって画面周辺部での
輝度向上と投写距離の短縮が達成される。

【００１１】さらに、該投写レンズの画像表示装置への
適用方法としては、ガラスレンズとして高価ではあるが
低分散（高アッベ数）で高屈折率の材料を用いたもの
と、色収差が出易いが低価格である高分散（低アッベ
数）で同程度の高屈折率の材料を用いたものを用意し、
輝度が高く画像全体の焦点性能に対し支配的な緑色映像
光用投写レンズに低分散（高アッベ数）で高屈折率の材
料によるガラスレンズを適用し、一方、輝度が低く画像
全体の焦点性能に対しあまり影響を及ぼさない青色映像
光用投写レンズや、螢光体のスペクトルが短波長に近く
色収差が出にくい赤色映像光用投写レンズに、高分散
（低アッベ数）で高屈折率の材料によるガラスレンズを
適用し、低コスト化を図る。

【００１２】以上により、投写型画像表示装置の光学シ
ステム全体として、高性能と低価格を両立することがで
きる。

【００１３】

【作用】レンズ系全体をスクリーン側から順に配した五
つの群によって構成する。

【００１４】投写管に最も近い第５レンズ群は、像面湾
曲補正用の凹レンズとし、レンズ系に入射する各物高さ
の光束の通過位置を規定する。

【００１５】第４レンズ群は、中央部に弱い正のパワー
を持ち、周辺部に向かって徐々にパワーが小さくなる形
状をとり、画面周辺部から入射してくる光束をパワーの
強い第３レンズ群に向かって広げるように作用し、後続
のレンズ群による収差補正を行いやすくする。

【００１６】第３レンズ群は、全体の約７割程度以上の
パワーを有し、各物点から発する光束を収束させる作用
を持つ。その形状については、スクリーン側の出射面の
曲率を入射面の曲率よりも大きくし、このレンズによっ
て生じる球面収差、コマ収差が少なくなるように設定し
てある。

【００１７】第２レンズ群は、第３レンズ群の近辺に配
置された補助レンズ群であり、中央部はほとんどパワー
を持たないメニスカス形状で低次の球面収差、コマ収差
を補正し、周辺部では高次の球面収差の補正を行なう。
更に、この第２レンズ群の周辺部は、中央部よりも大き
なパワーを持つことにより、画角の大きな物点から出射
した光束の周辺光線をレンズの中心方向へ曲げる作用を
持つ。

【００１８】第１レンズ群は、中心部をスクリーン側に
頂点を持つ凸メニスカス形状として、第３レンズ群の出
射面で発生する非点収差、歪曲収差、並びに、高次の球
面収差を補正する。またその周辺部は、上記した第２レ
ンズ周辺部を通過する画角の大きな光線群に対しては凹
レンズとして作用し、その光線群のメリディオナル方向
の横収差を良好に補正する。

【００１９】こうした構成を採ることによって、投写管
蛍光面上周辺部の画角の大きな物点から出射した光束を
広く取り込んで十分な周辺光量を確保し、かつ、短い投
写距離で、高解像度の画像を投写できる。

【００２０】このレンズ系において、パワーが最も大き
い第３レンズ群３として用いるガラスレンズとして、視
感度の高い緑色映像光用投写レンズには、低分散（低ア
ッベ数）で高屈折率の材料を採用して装置全体のフォー
カス性能が確保される。一方、赤色、または青色映像光
用投写レンズに、高分散（低アッベ数）で同程度の高屈
折率の低コスト材料を採用しても、赤色映像光が色収差
をほとんど持たないためフォーカス性能は劣化せず、青
色映像光の色収差が大きくなっても視感度が小さいた
め、フォーカスへの影響は少ない。

【００２１】上記の投写レンズ構成と、ガラスレンズ材
料の使いわけによって、投写型画像表示装置の光学シス
テム全体として上記課題を達成できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。

【００２３】まず、図２により、本発明による投写レン
ズを用いた画像表示装置（背面投写形ディスプレイ装
置）の一実施例を説明する。

【００２４】同図において、背面投写形ディスプレイの
筐体１０の内部には、画像表示素子である投写管２０
と、本発明による投写レンズ４０と、投写管２０と投写
レンズ４０の結合部材であるブラケット３０が一体とな
って保持されており、さらに、反射鏡５０と透過型スク
リーン６０とが図示の如く配置されている。

【００２５】かかる構成において、投写管２０の螢光面
から発した光１００は、矢印で示すように、ブラケット
３０と投写レンズ４０を通過して反射鏡５０で進路を曲
げられ、透過型スクリーン６０に達する。これにより、
投写管２０の螢光面上に映出された画像は、投写レンズ
４０により、拡大されて透過型スクリーン６０に投写さ
れ、従って、透過型スクリーン６０上に画像が拡大され
て表示される。

【００２６】図１は本発明による投写レンズの実施例を
示す構成図であって、１、２、３、４、５は、各々、第
１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群、第４レンズ
群、第５レンズ群であり、特に第５レンズ群５は、レン
ズ５’、冷却液５”、投写管の螢光面パネル６の集合体
である。同図において、投写レンズは、図示しないスク
リーン側から投写管の螢光面パネル６側へと順に配列さ
れた第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群、第４
レンズ群、第５レンズ群の５群から構成されている。第
１レンズ群１は、光軸上の頂点をスクリーン方向へ向け
た非球面凸メニスカス形状のレンズ、第２レンズ群２
は、逆に、中心部の頂点を投写管方向へ向けた非球面凸
メニスカス形状のレンズ、第３レンズ群３は、投写レン
ズ全系の７割以上のパワーを有する両凸球面レンズ、第
４レンズ群４は、中心部が両凸、レンズ周辺部がメニス
カスとなる非球面形状のレンズ、第５レンズ群５は、レ
ンズ５’と投写管の螢光面パネル６との間に冷却液５”
が充填されてなり、大きな負のパワーを持つレンズであ
る。ここで、第３レンズ群３は１枚のガラスレンズであ
り、他の非球面の第１、第２、第４、第５レンズ群１、
２、４、５’はプラスチックレンズである。

【００２７】以下では、この投写レンズの口径をｆ／
１．０、半画各３８度として、この投写レンズの各実施
例を具体的に説明する。

【００２８】実施例１：実施例１での各エレメント（レ
ンズ群１〜５）のデータの一具体例を図３に示す。但
し、球面系は、光軸近傍のレンズ領域を、非球面系はそ
の外側のレンズ領域を夫々表している。

【００２９】図３において、例えば、スクリーン６０
（図２）は平面であるため、その曲率半径は∞、スクリ
ーン６０からレンズ１の面Ｓ₁までの光軸上の距離（面
間隔）が５８８ｍｍであることを示す。また、レンズ１
のＳ₁面の曲率半径は−９４．３５４ｍｍ、レンズ面Ｓ₁
とレンズ面Ｓ₂の面間隔は７．２８２ｍｍ、その間の屈
折率が、１．４９３４５であることを示している。な
お、屈折率が空欄の項は、その面間の媒質が空気（屈折
率１．０）であることを示す。以下同様にして、最後は
ブラウン管パネル８の螢光面Ｐ₁の曲率半径が−３５０
ｍｍ、光軸上の厚み（面間隔）が１４．６ｍｍ、屈折率
が１．５３９９４であることを示す。なお此処に云う屈
折率は、設計中心波長５４５ｎｍの光線に対する屈折率
である。

【００３０】次に、第１レンズ群の面Ｓ₁、Ｓ₂、第２レ
ンズ群の面Ｓ₃、Ｓ₄、第４レンズ群の面Ｓ₇、Ｓ₈、第５
レンズ群５の面Ｓ₉、Ｓ₁₀は夫々非球面であり、表１の
下段の非球面系の欄にそれらの非球面係数のデータを表
す。

【００３１】ここでいう非球面係数は、面形状を次式 で表現した時の各係数ＣＣ、ＡＥ、ＡＦ、ＡＧ、ＡＨを
示す。

【００３２】但し、数１のＺ（ｒ）は、図４に示すよう
にレンズの光軸方向をＺ軸、半径方向をｒ軸にとった時
のレンズ面のＺ軸方向への変位量（ｒの関数）を表わ
し、ｒは半径方向の距離、Ｒｄは近軸曲率半径である。
従って、ＣＣ、ＡＥ、ＡＦ、ＡＧ、ＡＨの各係数が決ま
れば、上式によってレンズ面の高さ、すなわちレンズ面
形状が決まる。

【００３３】図１において、レンズ群１から５のレンズ
データが図３に示すものとすると、全系のパワーを１／
ｆ₀、各レンズ群１、２、３、４、５のパワー１／ｆ₁、
１／ｆ₂、１／ｆ₃、１／ｆ₄、１／ｆ₅としたとき、それ
ぞれのレンズ群の全系のパワーに対する相対的なパワー
ｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.２３０ 第２レンズ群； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.０３１１ 第３レンズ群； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７６０ 第４レンズ群； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.３１１ 第５レンズ群； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６３０ となる。

【００３４】このレンズ系において結像に大きく関わる
のは最も正のパワーが大きい第３レンズ群３であり、そ
の他のレンズは収差補正用の非球面レンズ群である。こ
れらの非球面レンズ群のうち、第５レンズ群５を除いて
は、皆、中心部に正のパワーを与えている。これは、第
３レンズ群３の正のパワーを多少なりとも他の群に分散
することによって、球面収差の補正を効率良く行うため
である。

【００３５】また、図１に示したように、蛍光面の中心
と周辺から射出される各々の光束はともに、第３レンズ
群３を通過する前後で大きく拡がっている。このため、
第３レンズ群３よりもスクリーン６０（図２）側に位置
する第１、第２レンズ群１、２が、各画角の物点から出
射する光線群の収差を、非球面で微妙にコントロールし
補正するのに対し、第４、第５レンズ群４、５は、第
１、第２、第３レンズ群１、２、３への光束の入射条件
をコントロールして第１、第２、第３レンズ群１、２、
３による収差補正の円滑化を図っている。

【００３６】次に、それぞれのレンズ群の機能について
述べる。

【００３７】投写管の蛍光面６に最も近い第５レンズ群
５は、凹形状のレンズ５’、冷却液５”から成って強い
負のパワーを有するレンズ群であり、投写管２０の湾曲
した蛍光面６と相まってレンズ系に入射する各物高さの
光束の通過位置を規定し、レンズ系全体の像面湾曲を補
正する。さらに、レンズ５’は、そのスクリーン側への
出射面が非球面になっており、各画角におけるサジタル
像面とメリディオナル像面の湾曲形状のバランスをと
り、非点隔差を低減する形状となっている。また、投写
管の熱は、冷却液５”によって放熱される。

【００３８】第４レンズ群４は非球面レンズから成り、
その中心部が両凸形状をとって結像のための弱い正のパ
ワーを分担している。このため、相対像高０．２〜０．
４程度の画角の小さな物点から出射する光束に対し、こ
の中心部はコマ収差を発生する形状となっている。ま
た、そのレンズ周辺部に向かって、中心部よりも徐々に
曲率が小さくなり、相対画角の大きな物点から出射する
光束を第３レンズ群３に向かって拡げる作用を持つ。

【００３９】第３レンズ群３は、前述したようにパワー
が最も大きいガラスレンズである。低次の球面収差をあ
る程度抑制するために、スクリーン側の面の曲率半径を
投写管側よりも小さくしている。

【００４０】第２レンズ群２は第３レンズ群３の近辺に
配置された補助レンズ群であり、非球面レンズから成っ
ている。弱い正のパワーを持つ中心部は、頂点を投写管
側に向けたメニスカス形状を持ち、前記第４、第３レン
ズ群４、３の中心部で発生したコマ収差を補正する。ま
た、レンズ周辺部は中心部と逆方向に湾曲し、局部的に
強い正のパワーを有する。この部分は、特に口径の大き
な瞳の周辺部を通過する光束を収束させる作用を持ち、
最もパワーが大きい前記第３レンズ群３の出射面による
収束作用を分担して収差を低減する。

【００４１】第１レンズ群はレンズ１から成り、中央部
がスクリーン側に頂点を有するメニスカス状の非球面レ
ンズである。この中央部は、他の第２、第４レンズの中
央部と逆方向へ湾曲しており、特に出射面において球面
収差、コマ収差、非点隔差を補正している。更に、この
レンズ１の周辺部は両凹形状で局部的に強い負のパワー
を有しており、第２レンズ群２、或いは第３レンズ群３
の周辺部に付与された強い正のパワーとの組み合わせに
よって、大口径であることによって生じる瞳周辺の通過
光線のメリディオナル方向の横収差を補正する。

【００４２】この構成において、周辺光量は、第５レン
ズ群５の周辺光束の取り込み量によって決定される。こ
の取り込み量はレンズ５’の有効径、面形状及び、サグ
量等によって規定されるが、冷却液５”の厚さによって
も大きく変わる。この液厚が小さいほど周辺光束は取り
込みやすく、また、各物点からの光束の独立性が高くな
るため、収差設計としては楽になるが、逆に出射面にお
ける界面反射が増し、コントラストが低下する。このた
め、このレンズ系は前記界面反射がある程度抑制され、
かつある程度の取り込み量を確保できる液厚、換言すれ
ば、蛍光面と第５レンズ群出射面間の距離ｄを、レンズ
全系の焦点距離ｆ₀に対して、ｄ／ｆ₀≧０．３５程度に
設定し、第４レンズ群４、第１レンズ群１の周辺部の形
状によって該周辺光束の収差を補正することによって、
投写管２０の螢光面上周辺部の画角が大きい物点から出
射した光束を広く取り込んで十分な周辺光量を確保し、
かつ、短い投写距離で高解像度の画像を投写できる。

【００４３】この実施例１のレンズ系によるＭＴＦ性能
と光量性能を、それぞれ図５、図６に示す。実施例１の
上記レンズ構成では、図５に示すように、各画角の像点
で良好なＭＴＦ性能が得られており、通常のＮＴＳＣや
ＰＡＬ方式の画面だけでなくＭＵＳＥ方式等の高精細な
画面の表示にも十分使用可能である。また、周辺部の光
量に関しては、図６の破線で示した従来の値にに対して
十分高い値を得ている。

【００４４】なおこの値は図２のスクリーン６０の入射
面における光量比を示す。

【００４５】実施例１においては第３レンズ群のパワー
を０．７６に設定しているが、このパワーを変化させて
も、前記した各レンズ面の作用を維持するように各面の
形状を変化させることによって、同様の設計が可能であ
る。

【００４６】次に、第３レンズ群３のパワーを増加した
場合の設計例を第２、第３、第４、第５の実施例とし
て、それらのレンズデータを図７、図８、図９、図１１
に示す。但し、前記と同様、全系のパワーを１／ｆ₀、
各レンズ群１、２、３、４、５のパワーを夫々１／
ｆ₁、１／ｆ₂、１／ｆ₃、１／ｆ₄、１／ｆ₅とする。

【００４７】実施例２：図７により、各レンズ群の相対
的なパワーｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群１； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.２９０ 第２レンズ群２； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.００６ 第３レンズ群３； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７７１ 第４レンズ群４； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２３６ 第５レンズ群５； ｆ₀／ｆ₅＝−０.５６８ である。この例では、第４レンズ群４のパワーを低下さ
せ第１レンズ群１、第３レンズ群３のパワーを増加させ
ている。

【００４８】実施例３：図８により、各レンズ群の相対
的なパワーｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.２８１ 第２レンズ群； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.００２ 第３レンズ群； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７７２ 第４レンズ群； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２８７ 第５レンズ群； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６１５ である。

【００４９】実施例４：図９により各レンズ群の相対的
なパワーｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.２７０ 第２レンズ群； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.０２１ 第３レンズ群； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７７５ 第４レンズ群； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２９２ 第５レンズ群； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６０９ である。この実施例４と前記の実施例３においては、第
４レンズ群４のパワーを実施例１ほどには低下させず、
第１レンズ群とのバランスをとっている。この図９のレ
ンズデータを満たす投写レンズの構成を図１０に示す。

【００５０】実施例５：図１１により各レンズ群の相対
的なパワーｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.２５９ 第２レンズ群； ｆ₀／ｆ₂＝−０.０００７ 第３レンズ群； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７８７ 第４レンズ群； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２９０ 第５レンズ群； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６２３ である。

【００５１】実施例６：図１２により各レンズ群の相対
的なパワーｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.２３０ 第２レンズ群； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.０００７ 第３レンズ群； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.８０２ 第４レンズ群； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２８１ 第５レンズ群； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６２１ である。この実施例６と実施例５とは、第３レンズ群３
のパワーの増加を、第４レンズ群４のパワーから補って
いる。

【００５２】これら実施例２〜６においては、第３レン
ズ群３のパワーの増加によって、この部分における通過
光線の曲がる角度が増加するので、それらの光線を同様
に曲げる作用を持っていた第２レンズ群２の周辺部の正
のパワーは徐々に小さくなり、その周辺部は両凸形状で
はなくメニスカス形状に近ずく傾向にある。

【００５３】次に、第３レンズ群３のパワーを低減した
場合の実施例を第７、第８、第９、第１１の実施例と
し、それらのレンズデータを表わした図１３、図１４、
図１５図１６を用いて示す。但し、この場合も前記と同
様、全系のパワーを１／ｆ₀、各レンズ群１、２、３、
４、５のパワーを夫々１／ｆ₁、１／ｆ₂、１／ｆ₃、１
／ｆ₄、１／ｆ₅とする。

【００５４】実施例７：図１３により、各レンズ群の相
対的なパワー配分ｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群１； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.３０８ 第２レンズ群２； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.００２ 第３レンズ群３； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７４８ 第４レンズ群４； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２８７ 第５レンズ群５； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６１４ となる。第３レンズ群３のパワーを低減した分、第１レ
ンズ群１のパワーが増加している。

【００５５】実施例８：図１４により、各レンズ群の相
対的なパワー配分ｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群１； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.３１０ 第２レンズ群２； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.０２５ 第３レンズ群３； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７２３ 第４レンズ群４； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２８５ 第５レンズ群５； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６１０ となる。ここでは、第３レンズ群３のパワーを低減した
分、第１レンズ群１、第２レンズ群２のパワーが増加し
ている。

【００５６】実施例９：図１５により、各レンズ群の相
対的なパワー配分ｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群１； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.３１３ 第２レンズ群２； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.０４３ 第３レンズ群３； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７１１ 第４レンズ群４； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２８５ 第５レンズ群５； ｆ₀／ｆ₅＝−０.６４５ となる。ここでも、第３レンズ群３のパワーを低減した
分、第１レンズ群１、第２レンズ群２のパワーが増加し
ている。

【００５７】実施例１０：図１６により、各レンズ群の
相対的なパワー配分ｆ₀／ｆ₁〜ｆ₀／ｆ₅は、 第１レンズ群１； ｆ₀／ｆ₁＝ ０.２９６ 第２レンズ群２； ｆ₀／ｆ₂＝ ０.０１８ 第３レンズ群３； ｆ₀／ｆ₃＝ ０.７０４ 第４レンズ群４； ｆ₀／ｆ₄＝ ０.２７５ 第５レンズ群５； ｆ₀／ｆ₅＝−０.５８９ となる。これは、第３レンズ群３のパワー低下に対応
し、第５レンズ群５の負のパワーを、低下させた例であ
る。

【００５８】これら実施例７〜１０においては、第３レ
ンズ群のパワーの低下を補うために、第２レンズ群２周
辺部の出射面側は湾曲が大きくなり、入射面側は平坦に
近ずく傾向となる。

【００５９】以上が本発明による投写レンズ設計例であ
るが、これらの例では、全て、上記した基本構成によっ
て、各画角からの入射光線群を瞳の十分上方まで取り込
んで収差補正が可能であり、十分な周辺光量でフォーカ
スの良好な投写画像を得られる。

【００６０】次に、第３レンズ群３の硝材について説明
する。図２１は、光学ガラス材料の屈折率と分散の関係
を、ｄ線（５８７．６ｎｍ）を基準とした屈折率ｎｄと
アッベ数νｄとで表したいわゆる『ｎｄ／νｄ図』であ
る。図中、光学材料は、屈折率が高くなれば分散が大き
く（アッベ数が小さく）なるという右上がりの２本の線
に沿った分布傾向を示す。この２種類の分布状態の内、
よりアッベ数の小さい方のグループをフリント系Ｆ、よ
りアッベ数の大きいグループをクラウン系Ｃと呼んで従
来から区別している。パワーレンズの材料としてよく使
われている屈折率ｎｄ＝１．６〜１．７の範囲におい
て、現時点における硝材のコストは、クラウン系材料の
方が、同程度の屈折率を有するフリント系材料の１．５
〜２．５倍程度高い。

【００６１】ここで、図５に示したＭＴＦ性能は、図２
２に示した実際の投写管２０に用いられている緑色螢光
体の発光スペクトルに対する性能である。また、第３レ
ンズ群３のガラスレンズに用いられる硝材Ａは、分散の
小さい（アッベ数νdの大きい）クラウン系の硝材（νd
＝６０．３４）を選択している。しかし、このクラウン
系の硝材Ａは、上記のように高価である。そこでこの第
３レンズ群３のガラスレンズに安価であるが分散の大き
い（アッベ数νdの小さい）フリント系の硝材Ｂ（νd＝
３６．３０）に置換する。図１７に示すように、特に設
計中心波長５４５ｎｍ近辺では、硝材Ａと硝材Ｂの間に
は屈折率の差が殆どない。従って、第３レンズ群３の硝
材を硝材Ａから硝材Ｂに変更しても、設計中心波長の光
の収差発生状況はほとんど変わらず、第１、第２、第
４、第５レンズ群は全く無変更でよく、図３、図７、図
８、図９、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５、
図１６のレンズデータは第３レンズ群３の屈折率が若干
変わるだけで、他は無変更である。第３レンズ群３の硝
材を硝材Ａから硝材Ｂに変更すると、投写管２０に用い
られている螢光体の発光スペクトルにスプリアスが存在
する場合に、色収差として画像に現れ、ＭＴＦ(Modurat
ion Transfer Funtion)性能が劣化する。図１８、１
９、２０は、夫れ夫れ図２２、２３、２４に示した緑
色、赤色、青色の蛍光体の発光スペクトルに対するＭＴ
Ｆ性能である。図において、実線Ａは第３レンズ群３の
硝材に硝材Ａを使用した場合で、破線Ｂは第３レンズ群
３の硝材に硝材Ｂを使用した場合である。簡単のためメ
リディオナル像面の値とサジタル像面の値の平均値を示
してある。図より明らかなように、第３レンズ群３の硝
材を硝材Ａから硝材Ｂに変更すると、螢光体の発光スペ
クトルが最も広く分布している図２４に示す青色蛍光体
に対するＭＴＦの劣化（図２０）が最も大きい。これに
対し、螢光体の発光スペクトルにスプリアスが殆どない
図２３に示す赤色蛍光体の場合は、ＭＴＦの劣化（図１
９）が殆どない。図２２に示す緑色蛍光体の場合は、そ
の中間である（図１８）。

【００６２】そこで、輝度が高く画像全体の焦点性能に
対し支配的な緑色映像光用投写レンズに低分散（高アッ
ベ数）で高屈折率の硝材Ａの凸レンズを用いた投写レン
ズを、輝度が低く画像全体の焦点性能に対しあまり影響
を及ぼさない青色映像光用投写レンズと、螢光体のスペ
クトルが短波長に近く色収差が出にくい赤色映像光用投
写レンズに、高分散（低アッベ数）で高屈折率の硝材Ｂ
の凸レンズを用いた投写レンズを使用することにより、
投写型画像表示装置の光学システム全体として、高性能
と低コストを両立することができる。

【００６３】図２５に、上記した発明による投写型画像
表示装置の光学システムの一実施例を示す。図におい
て、２０ａ、２０ｂ、２０ｃはそれぞれ赤色、緑色、青
色の投写管、４０ａ、４０ｂ、４０ｃはそれに対応した
赤色、緑色、青色の投写レンズ、３０ａ、３０ｂ、３０
ｃは投写管２０と投写レンズ４０を接続する赤色、緑
色、青色のブラケット、６０は透過型スクリーンであ
る。図では、簡単のため反射鏡を省略した。図より明ら
かなように、投写レンズの凸レンズは、緑色投写レンズ
だけに硝材Ａを用い、赤色と青色の投写レンズには硝材
Ｂを用いている。

【００６４】図２６は、本発明による投写型画像表示装
置の光学システムの第２の実施例を示す。図において、
図２５と同一番号は同一部品を表す。図において、図２
５と異なる点は青色の投写レンズ４０ｃ’の凸レンズに
硝材Ａを用いている点である。これは、グラフィックデ
ィスプレイの様に青色の映像の焦点性能も重視される場
合の例であり、緑色と青色の映像光用投写レンズに低分
散（高アッベ数）で高屈折率の硝材Ａの凸レンズを用い
た投写レンズを、赤色映像光用投写レンズに、高分散
（低アッベ数）で高屈折率の硝材Ｂの凸レンズを用いた
投写レンズを使用している。

【００６５】図２７は、本発明による投写型画像表示装
置の光学システムの第３の実施例を示す。図において、
図２６と同一番号は同一部品を表す。図において、図２
６と異なる点は赤色、緑色、青色の投写レンズ４０
ａ’、４０ｂ、４０ｃ’全ての凸レンズに硝材Ｂを用い
ている点である。従来、νdが５０以下の高分散硝材
は、色収差が出やすいということで凸レンズには用いら
れていなかった。しかし、ＮＴＳＣの画像の様にそれ程
高い性能が要求されない場合は、本実施例のように緑
色、赤色、青色の全ての映像光用投写レンズに、高分散
（低アッベ数）で高屈折率の硝材Ｂの凸レンズを用いた
投写レンズを使用すれば極めて低コストの投写型画像表
示装置が実現できる。

【００６６】以上、硝材Ｂとしてνd＝３６．３０、ｎd
＝１．６２００４を使用した実施例について説明した
が、νdが５０以下のその他のフリント系の硝材例えば
νd＝３３．８４、ｎd＝１．６４７６９等安価な物であ
ればどの硝材を使用しても、本発明の効果を損なうもの
ではない。

【００６７】また、最近使用されているダイクロイック
フィルターや、着色フィルター等の、上記した蛍光体ス
ペクトル中の不要なスプリアス成分を除去、または、低
減する波長選択性フィルターを構成レンズ中に施した場
合には、例えば、図１８に示した硝材Ａ、Ｂ間のＭＴＦ
差は、さらに縮められるので、発明の効果を助長でき
る。

【００６８】

【発明の効果】以上、本考案によれば、周辺光量が大き
く良好なフォーカス性能の広角投写レンズを実現し、充
分コンパクトな投写形画像表示装置を実現可能である。

【００６９】また、さらに、投写型画像表示装置の画像
全体の焦点性能を殆ど劣化させることなく、高分散（低
アッベ数）であるが低コストの高屈折率の凸レンズを第
３レンズ群に用いることができるため、投写型画像表示
装置の光学システム全体として、高性能と低コストの両
立が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投写レンズの実施例を示す構成図
である。

【図２】本発明による画像表示装置の一実施例を示す構
成図である。

【図３】本発明による投写レンズの第１の実施例でのレ
ンズデータを示す図である。

【図４】非球面の定義を示す図である。

【図５】図３のレンズデータに基づく本発明による投写
レンズの第１の実施例のＭＴＦ性能を示す図である。

【図６】図３のレンズデータに基づく本発明による投写
レンズの第１の実施例のレンズによる投写画面上の光量
変化を示す図。

【図７】本発明による投写レンズの第２の実施例でのレ
ンズデータを示す図である。

【図８】本発明による投写レンズの第３の実施例でのレ
ンズデータを示す図である。

【図９】本発明による投写レンズの第４の実施例でのレ
ンズデータを示す図である。

【図１０】第４の実施例の投写レンズの構成図である。

【図１１】本発明による投写レンズの第５の実施例での
レンズデータを示す図である。

【図１２】本発明による投写レンズの第６の実施例での
レンズデータを示す図である。

【図１３】本発明による投写レンズの第７の実施例での
レンズデータを示す図である。

【図１４】本発明による投写レンズの第８の実施例での
レンズデータを示す図である。

【図１５】本発明による投写レンズの第９の実施例での
レンズデータを示す図である。

【図１６】本発明による投写レンズの第１０の実施例で
のレンズデータを示す図である。

【図１７】硝材Ａと硝材Ｂの屈折率を比較した図であ
る。

【図１８】図３のレンズデータに基づく本発明による投
写レンズの実施例の緑色蛍光体の発光スペクトルに対す
るＭＴＦ性能を硝材Ａと硝材Ｂについて比較して示した
図である。

【図１９】図３のレンズデータに基づく本発明による投
写レンズの実施例の赤色蛍光体の発光スペクトルに対す
るＭＴＦ性能を硝材Ａと硝材Ｂについて比較して示した
図である。

【図２０】図３のレンズデータに基づく本発明による投
写レンズの実施例の青色蛍光体の発光スペクトルに対す
るＭＴＦ性能を硝材Ａと硝材Ｂについて比較して示した
図である。

【図２１】光学ガラスの屈折率（ｎd；d線の屈折率）と
アッベ数（νd）を示した図である。

【図２２】投写管の緑色螢光体の発光スペクトルを示す
図である。

【図２３】投写管の赤色螢光体の発光スペクトルを示す
図である。

【図２４】投写管の青色螢光体の発光スペクトルを示す
図である。

【図２５】本発明による投写型画像表示装置の光学装置
の第１の実施例を示す構成図である。

【図２６】本発明による投写型画像表示装置の光学装置
の第２の実施例を示す構成図である。

【図２７】本発明による投写型画像表示装置の光学装置
の第３の実施例を示す構成図である。

【符号の説明】

１…第１レンズ群、 ２…第２レンズ群、 ３…第３レンズ群、 ４…第４レンズ群、 ５…第５レンズ群、 ６…投写管の蛍光面パネル、 １０…筐体、 ２０…投写管、 ３０…ブラケット、 ４０…投写レンズ、 ５０…反射鏡、 ６０…透過型スクリーン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 繁 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株 式会社日立製作所映像メディア研究所内 (72)発明者 小倉 直之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株 式会社日立画像情報システム内 (56)参考文献 特開 平３−120506（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−28813（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−18510（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−137610（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−20185（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−133915（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−190811（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−276113（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−258912（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−20185（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−366803（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−346540（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−131809（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−139312（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−264716（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 13/16 G02B 13/18

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画像表示素子が表示する画像をスクリーン
   上に投写して拡大表示する投写レンズにおいて、スクリ
   ーン側から画像表示素子側にかけて順に、 非球面を備え、中心部が正のパワーを持ち、周辺部が両
   凹形状で負のパワーを有する第１レンズ群と、 中心部のパワーが正の第２レンズ群と、 全系のパワーに対して７割以上の正のパワーを有し、ス
   クリーン側の曲率半径を画像表示素子側の曲率半径より
   も小さくした両凸形状の第３レンズ群と、 非球面を備え、かつその中心部が正のパワーを持ち、該
   中心部から周辺部に向かって除々に曲率を小さくしてパ
   ワーが弱くなるような形状を有し、前記画像表示素子の
   画面周辺部から入射される光を前記第３レンズ群に向け
   て広げる作用を有する第４レンズ群、及び 最も画像表示素子側に位置し、負のパワーを有するとと
   もに前記スクリーン側に凹を向けた形状を備える第５レ
   ンズ群と、 を配置し、前記第１レンズ群の光入射面周辺部と、前記
   第２レンズ群の光出射面周辺部の湾曲方向を、前記第３
   レンズ群の出射面の湾曲方向と同じ方向とし、 前記第５群レンズ群の光出射面と画像表示面との距離ｄ
   と、レンズ全系の焦点距離ｆ₀との関係が、下式を満た
   すようにして該第５群レンズ出射面における界面反射を
   抑制するようにしたことを特徴とする投写レンズ。 ｄ／ｆ₀≧０．３５
2. 【請求項２】前記第１のレンズ群の少なくとも中央部
   を、スクリーン側に頂点を有するメニスカス形状とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の投写レンズ。
3. 【請求項３】前記第１のレンズ群の出射面周辺部を中央
   部と反対方向に湾曲させたことを特徴とする請求項２に
   記載の投写レンズ。
4. 【請求項４】前記第１のレンズ群の中央部におけるパワ
   ーを１／ｆ₁、前記投写レンズ全系のパワーを１／ｆ₀と
   したとき、パワーの比ｆ₀／ｆ₁を、 ０．２３≦ｆ₀／ｆ₁≦０．３２ としたことを特徴とする請求項２または３に記載の投写
   レンズ。
5. 【請求項５】前記第２のレンズ群の、中央部における形
   状を画像表示素子側に頂点を有するメニスカス形状とし
   たことを特徴とする請求項１に記載の投写レンズ。
6. 【請求項６】前記第２のレンズ群の、周辺部における形
   状をスクリーン側に頂点を有するメニスカス形状とした
   ことを特徴とする請求項５に記載の投写レンズ。
7. 【請求項７】前記第２のレンズ群の、中央部におけるパ
   ワーを１／ｆ₂、前記投写レンズ全系のパワーを１／ｆ₀
   としたとき、パワーの比ｆ₀／ｆ₂を ｜ｆ₀／ｆ₂｜≦０．０５ としたことを特徴とする請求項５または６に記載の投写
   レンズ。
8. 【請求項８】前記第４のレンズ群は、少なくとも中央部
   が両凸であることを特徴とする請求項１に記載の投写レ
   ンズ。
9. 【請求項９】前記第４レンズ群の入射面を、その中心部
   から周辺部にかけて曲率が小さくなる非球面形状とした
   ことを特徴とする請求項８に記載の投写レンズ。
10. 【請求項１０】前記第４のレンズ群の、中央部における
    パワーを１／ｆ₄、前記投写レンズ全系のパワー１／ｆ₀
    としたとき、パワーの比ｆ₀／ｆ₄を、 ０．２３≦ｆ₀／ｆ₄≦０.３２ としたことを特徴とする請求項８または９に記載の投写
    レンズ。
11. 【請求項１１】前記第５のレンズ群の、中央部における
    パワーを１／ｆ₅、前記投写レンズ全系のパワー１／ｆ₀
    としたとき、パワーの比ｆ₀／ｆ₅を、 −０.６５≦ｆ₀／ｆ₅≦−０.５６ としたことを特徴とする請求項１に記載の投写レンズ。
12. 【請求項１２】前記第２レンズ群は、出射面中央部の湾
    曲方向と周辺部の湾曲方向とが逆転する形状を持つこと
    を特徴とする請求項１に記載の投写レンズ。
13. 【請求項１３】画像表示素子が表示する画像をスクリー
    ン上に投写して拡大表示する投写レンズにおいて、スク
    リーン側から画像表示素子側にかけて順に、 非球面を備え、中心部が正のパワーを持ち、周辺部が両
    凹形状で負のパワーを有する第１のレンズ群と、 非球面を備え、中心部のパワーが正の 第２のレンズ群
    と、 全系のパワーに対して７割以上の正のパワーを有する両
    凸形状の第３のレンズ群と、 非球面を備え、中心部から周辺部に向かって除々に曲率
    を小さくしてそのパワーが弱くなるような形状を有し、
    前記画像表示素子の画面周辺部から入射される光を前記
    第３レンズ群に向けて広げる作用を有する第４レンズ、
    及び 最も画像表示素子側に位置し、負のパワーを有するとと
    もにスクリーン側に凹を向けた形状を備える第５レンズ
    群と、 を配置し、前記第１、第２、第４、第５のレンズ群の中
    央部におけるパワーを各々１／ｆ₁、１／ｆ₂、１／
    ｆ₃、１／ｆ₄、１／ｆ₅、前記投写レンズ全系のパワー
    １／ｆ₀としたとき以下の条件を満足し、かつ前記第５
    群レンズ群の光出射面と画像表示面との距離ｄとしたと
    き、以下の条件を満足するようにして該第５群レンズ出
    射面における界面反射を抑制するように構成したことを
    特徴とする投写レンズ。 ０．２３≦ｆ₀／ｆ₁≦０．３２ −０．００７≦ｆ₀／ｆ₂≦０．０５ ０．２３≦ｆ₀／ｆ₄≦０．３２ −０．６５≦ｆ₀／ｆ₅≦−０．５６ ｄ／ｆ₀≧０．３５
14. 【請求項１４】スクリーン側に曲率中心を有する円弧状
    に湾曲した画像表示面を有する画像表示素子と、請求項
    １、１２または１３に記載の投写レンズとを組み合わせ
    て用いたことを特徴とする画像表示装置。