JP5163793B2 - Projection display device - Google Patents
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Description
本発明は、映像表示素子の映像を、投写レンズを含む投写光学ユニットにより透過型スクリーン上に拡大投影する構成の投写型映像表示装置に関する。
The present invention is an image of the image display element, a projection type image display apparatus having a configuration for enlarging and projecting onto a transmissive screen by a projection optical unit including a projection lens.
従来から、映像を表示する映像表示素子として、例えば液晶パネル等の画素選択型素子を用いた背面投写型映像表示装置(以下、必要に応じて「セット」と省略する)においては、映像表示素子としてCRTを用いたセットとは異なる手法で高さや奥行き寸法を低減(セットのコンパクト化)するための検討が為されている。その一つとして、例えば下記特許文献1〜3には、透過型スクリーンに対して斜め方向から映像を拡大投写する投写光学ユニットを用いた背面投射型映像表示装置が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a video display element for displaying an image, in a rear projection type video display apparatus using a pixel selection type element such as a liquid crystal panel (hereinafter, abbreviated as “set” if necessary), the video display element In order to reduce the height and depth (compact set size) using a method different from the set using a CRT. As one of them, for example,
上記従来技術のように投写光学ユニットで映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、スクリーン上に投影された映像に所謂台形歪みが生じる。そこでこの解決策として上記特許文献1に提案されている投写光学系では、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。しかしながら、開示されたアフォーカルコンバータでは倍率が低いため広角化(セットのコンパクト化)が困難という問題がある。また上記特許文献2で提案されている投写光学系においては、背面投写型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り、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に提案されている投写光学系は、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から構成され、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。
When the image is projected from the oblique direction with respect to the screen by the projection optical unit as in the above prior art, so-called trapezoidal distortion occurs in the image projected on the screen. Therefore, in the projection optical system proposed in
加えて、特許文献1〜3に開示された上記従来技術におけるセットのレイアウト設計、すなわちセットの筐体内部における投写光学系などの各種要素の配置は、投写レンズを含めた投写光学系のみに着目した設計であり、筐体内での駆動回路の設置場所の確保を含めたシステム全体を考慮した最適なセット設計がなされていなかった。
In addition, the layout design of the set in the prior art disclosed in
従って、セットのコンパクト化のためには、それに適した(各種要素のレイアウトを含む)筐体構造と、コンパクト化を実現するための広画角でかつハイフォーカス、高倍率でバックフォーカスが長い投写光学系が必要である。 Therefore, in order to make the set compact, a housing structure suitable for it (including the layout of various elements) and a projection with a wide angle of view, high focus, high magnification, and long back focus to achieve compactness. An optical system is required.
そこで、本発明の目的は、背面投写型映像表示装置において、セットのコンパクト化に適した技術を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a technique suitable for downsizing a set in a rear projection image display device.
上記目的を達成するための、本発明に係る背面投写型映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、該映像表示素子に表示された画像を透過型スクリーン上に拡大投影する投写レンズと、前記投写レンズと前記透過型スクリーンの光路中に配置され、前記投写レンズからの投影光束を反射して前記透過型スクリーンへ導く折り返しミラーとが筐体内部に収納されたセットにおいて、前記透過型スクリーン対角寸法をSS(インチ)、前記筐体の奥行きをD(インチ)、スクリーン下端から筐体の下端までの長さをL(インチ)としたとき、下記の条件を満足することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a rear projection image display apparatus according to the present invention includes an image display element that displays an image, and a projection lens that enlarges and projects an image displayed on the image display element on a transmission screen. The transmission lens is disposed in the optical path of the projection lens and the transmissive screen, and a folding mirror that reflects the projection light beam from the projection lens and guides it to the transmissive screen is housed in a housing. When the diagonal dimension of the screen is SS (inch), the depth of the casing is D (inch), and the length from the lower end of the screen to the lower end of the casing is L (inch), the following conditions are satisfied: It is what.
SS>40
D≦SS/3.0
L≦SS/10.9
また、上記透過型スクリーンの中心高さH(インチ)が、H≦SS/2.9の条件を満たす。更に、前記投写レンズは前記透過型スクリーンに最も近い位置に配置されたレンズと前記透過型スクリーンまでの距離をLL(インチ)としたとき、LL<SS/2.7の条件を満足する。
SS> 40
D ≦ SS / 3.0
L ≦ SS / 10.9
The center height H (inch) of the transmission screen satisfies the condition of H ≦ SS / 2.9. Furthermore, the projection lens satisfies the condition of LL <SS / 2.7, where LL (inches) is the distance between the lens disposed closest to the transmission screen and the transmission screen.
また、本発明に係る投写型映像表示装置に用いられる投写レンズは、映像表示素子からスクリーンまでの光路に少なくとも2つ以上の正屈折力を有するレンズ群を配置した構成とする。例えば、2つのレンズ群を有する投写レンズ装置の場合には、映像表示素子に最も近接して配置した第1レンズ群により形成される第1の拡大像は、一旦第2レンズ群よりも映像表示素子側において結像する。この第1の拡大像を前記第2レンズ群によりスクリーン上に拡大投写する。第1レンズ群と前記第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、第1の拡大像の倍率M1は、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の拡大像の倍率M2より小さくする。 The projection lens used in the projection display apparatus according to the present invention has a configuration in which at least two lens groups having positive refractive power are arranged in the optical path from the image display element to the screen. For example, in the case of a projection lens device having two lens groups, the first enlarged image formed by the first lens group disposed closest to the image display element is temporarily displayed as an image rather than the second lens group. An image is formed on the element side. The first enlarged image is enlarged and projected on the screen by the second lens group. A field lens group having a positive refractive power is disposed between the first lens group and the second lens group, and a magnification M1 of the first magnified image is a second lens formed on the screen by the second lens group. The magnification is smaller than the magnification M2.
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良い。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を第1の拡大像の倍率M1で除した値、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。 The first lens group is preferably telecentric on the image display element side and designed in accordance with the F value of the illumination optical system. Since the first magnified image by the first lens group is formed on the image display element side from the second lens group, F2 (light beam divergence angle) which is the F value of the second group is F of the first lens group. A value obtained by dividing the value F1 by the magnification M1 of the first enlarged image, that is, F2 = F1 / M1. For this reason, the F2 of the second lens group can be increased, which is advantageous for an ultra-wide angle of view exceeding 90 degrees.
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良い。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、即ち、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。
The first lens group is preferably telecentric on the image display element side and designed in accordance with the F value of the illumination optical system. Since the first magnified image by the first lens group is formed on the image display element side from the second lens group, F2 (light beam divergence angle) which is the F value of the second group is F of the first lens group. the value a is F1 and a value obtained by multiplying the first magnification M1 of the enlarged image, i.e., the F2 = F1 × M1. For this reason, the F2 of the second lens group can be increased, which is advantageous for an ultra-wide angle of view exceeding 90 degrees.
本発明によれば、コンパクト化された投写型映像表示装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a compact projection display apparatus.
以下、本発明の投写光学ユニットを用いた投写型映像表示装置及び背面投写型映像表示装置について、図面を参照して説明する。尚、各図において、共通な機能を有する部分には同一符号を付して示し、煩雑さを避けるために、一度説明した部分に対しては、その繰り返した説明を省略する。 Hereinafter, a projection display apparatus and a rear projection display apparatus using the projection optical unit of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, parts having common functions are denoted by the same reference numerals, and in order to avoid complications, repeated explanations are omitted for parts once described.
図1は本発明の投写光学ユニットを用いた背面投写型映像表示装置の実施例についての正面図、図2はその側面図である。セットの外形を定める筐体5の映像観察側前面には透過型のスクリーン6が配置されている。また筐体5の内部には、図示しない液晶パネル等の映像表示素子、照明光学系1、光路折り返しミラー7、白色光源からの光を照明光学系1で映像表示素子に照射し、映像表示素子で映像信号に応じて形成された映像を拡大投写する投写光学ユニット4、及び映像表示素子を駆動するための駆動回路である信号回路や電源回路等を含むシャーシ8を収納し、それらを所定の個所に固定している。投写光学ユニット4は、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3、及び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2を含む。光学ユニット4をセットの画面中心より向かって左側に配置することで生じた右側の空間にシャーシ8を組み込み、背面投写型映像表示装置を形成している。
FIG. 1 is a front view of an embodiment of a rear projection type image display apparatus using the projection optical unit of the present invention, and FIG. 2 is a side view thereof. A
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の背面側から投写される。
The
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)とを含む。更に、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、例えばミラーなどの光路折り返し手段(図示せず、後述する)が備えられている。
The projection optical unit of the present invention includes a first lens group (not shown, which will be described later) built in a
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。このため、背面投写型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。光源としては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、コンパクト化に有効でかつ長寿命となる。
Thus, the projection optical unit of the present invention is divided into at least two lens groups and arranged so that the optical axes thereof are substantially orthogonal, and the optical axis of the first lens group is approximately in the horizontal direction of the
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。
Here, in order to facilitate the following description, right-handed orthogonal coordinates are introduced. In FIG. 1, the
図2において、上記したように第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軸に平行、以下「第1レンズ鏡筒の光軸」と記す)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」と記す)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。
2, as described above, the
次に、前記した実施形態に用いた本発明における背面投写型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映像信号に合わせて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。
Next, a detailed configuration of the projection optical unit of the rear projection display apparatus according to the present invention used in the above-described embodiment will be described with reference to FIG. For convenience of explanation, components having the same functions as those shown in FIG. In the figure,
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レンズ鏡筒3の光軸と第2レンズ鏡筒2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。
The projection
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レンズ鏡筒2の光軸21を光路折り返し手段25により第1レンズ鏡筒3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。
In the present invention, the image synthesized by the
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。
Since the F value of the illumination optical system is approximately 2.0 to 3.0, the F value of the
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。
In addition, since the projection
図1に示した本発明の背面投写型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、本発明の背面投写型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平面上で背面投写型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。さらに背面投写型映像表示装置がセット内部の画面水平方向片側(スクリーン中央より片側)に配置できるので他方の空いた空間に電源や信号基板等のシャーシを纏めて配置できコンパクトなセットが実現できる。
In the rear projection type image display apparatus of the present invention shown in FIG. 1, the transmissive liquid crystal panel which is an image display element with respect to the
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て示し、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。 FIG. 6 shows an embodiment in which a total reflection mirror is used as the optical path folding means 26 disposed between the first lens group and the second lens group. In the same figure, components having the same functions as those shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and the operations of the individual components are the same as those of the embodiment shown in FIG. To do.
図5及び図6に示した本発明の背面投写型映像表示装置においては、第2レンズ鏡筒2の光軸21を第1レンズ鏡筒3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。
In the rear projection type image display device of the present invention shown in FIGS. 5 and 6, the
さらに、第2レンズ鏡筒2の光軸21を第1レンズ鏡筒3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24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。
Furthermore, by decentering the
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を実現できる。 On the other hand, even if the effective screen size of the transmissive LCD panel changes, it can be applied to the same form set by changing only part of the illumination optical system and only the first lens group. A projection optical unit with excellent development efficiency can be realized.
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。
The magnification of the magnified image obtained by the
また、図5及び図6に示す本発明の実施例において、第2レンズ鏡筒2の光軸21を第1レンズ鏡筒3の光軸31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、透過型のスクリーン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。
5 and 6, the
図3は本発明の投写光学系を用いた背面投写型映像表示装置の構造上の特徴を説明するために用いるセットの正面図である。同図において、5は筺体(図示せず)、6はスクリーン、9は前面フレームを示している。また、SSはスクリーン画面寸法(インチ)、Lはスクリーン下端(画面有効開口部)から筐体下端までの距離を示す。さらにHはスクリーン外形中心(画面有効開口部中心)から筐体下端までの距離を示す。 FIG. 3 is a front view of a set used for explaining structural features of a rear projection type image display apparatus using the projection optical system of the present invention. In the figure, 5 is a housing (not shown), 6 is a screen, and 9 is a front frame. SS indicates the screen screen size (inch), and L indicates the distance from the lower end of the screen (screen effective opening) to the lower end of the casing. Further, H represents the distance from the screen outer shape center (screen effective opening center) to the lower end of the casing.
図4は本発明の投写光学系を用いた背面投写型映像表示装置の構造上の特徴を説明するために用いるセットの側面図で、図1,図2,図3に示した構成部品と同じ部品には同一符号を付してある。 FIG. 4 is a side view of a set used for explaining the structural features of a rear projection type image display apparatus using the projection optical system of the present invention, which is the same as the components shown in FIGS. The parts are given the same reference numerals.
図4において、AとBはスクリーン6に入射する映像光のシフト(偏心)の比率を表すパラメータであり、Dはセットの奥行き(インチ)を示す。
In FIG. 4, A and B are parameters indicating the ratio of shift (eccentricity) of image light incident on the
図7は上述してきた本発明の投写光学系(投写光学ユニット)を使用してスクリーン画面寸法SSを42インチとし、スクリーン6に最も近い位置に配置されたレンズのスクリーン側レンズ面先端からスクリーン6までの距離(以下、「投写距離」と記す)を第1のパラメータとして510mmから310mmまで変更し、前述した第2レンズ鏡筒2の光軸21を第1レンズ鏡筒3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)にシフト(偏心)させた場合のシフト量(偏心量)を第2のパラメータとした場合に光路折り返しミラー1枚で得られるセット奥行きを計算により求めたものである。
FIG. 7 shows a screen screen dimension SS of 42 inches using the projection optical system (projection optical unit) of the present invention described above, and the
同図の横軸は、前述した第2レンズ鏡筒2の光軸21の、第1レンズ鏡筒3の光軸31に対するシフト量を示しており、例えば、第2のパラメータであるシフト量(光軸偏心量)の0.5とは、前述した第2レンズ鏡筒2の光軸21と第1レンズ鏡筒3の光軸31を一致させた状態である。この結果、セットにおいては、図4に示したように、投写光学ユニットの光軸と、透過型のスクリーン6を構成するフレネルレンズ(図示せず)を少なくとも片面に設けたフレネルシート(図示せず)のフレネルレンズ中心を前記フレネルシートの外形中心と一致させる(即ち、分割比A:Bを1:1とする)ことで映像光束の中心は透過型のスクリーンに対して垂直に出射する。
The horizontal axis of the figure shows the shift amount of the
同様に、シフト量0.25とは、前述した第2レンズ鏡筒2の光軸21と第1レンズ鏡筒3の光軸31が、第1レンズ群22の100%像高に対して3:1の比率でシフトさせた状態であり、この結果、本実施例のセットにおいては、図4に示したように、投写レンズの光軸と、透過型のスクリーン6を構成するフレネルレンズを少なくとも片面に設けたフレネルシートのフレネルレンズ中心を前記フレネルシートの上下方向外形寸法の分割比A:B(同図中A,B)が3:1の関係を満足するようにシフトさせることで映像光束の中心は透過型のスクリーンに対して垂直に出射する。
Similarly, the shift amount 0.25, the
図7に示した縦軸は図4に示した光路折り返しミラー7下端からセット筐体前面までの距離(図7においては光学奥行きと表示)を示しており、実際のセット奥行きは、構造設計上の公差やマージンを考慮してこの値に60〜100mm程度加えたものとなる。
The vertical axis shown in FIG. 7 indicates the distance from the lower end of the optical
以上が図7に示したスクリーン画面寸法を42インチした場合に投写光学ユニットの投写距離と光軸シフト量をパラメータとした場合に実現できるセット寸法のシミュレーション結果の見方である。 The above is the view of the simulation result of the set dimension that can be realized when the projection distance of the projection optical unit and the optical axis shift amount are used as parameters when the screen screen dimension shown in FIG. 7 is 42 inches.
図7の中央斜めに引かれた実線は、投写光学ユニットの投写距離を第1のパラメータとして、光学ユニットやシャーシ部材が映像光束を遮ることなくセット筐体内部に光路折り返しミラーを設けることが可能となる限界点を、第2レンズ鏡筒2の光軸21のシフト量を第2のパラメータとして求め、つなぎ合わせて得られたものである。
The solid line drawn obliquely in the center of FIG. 7 can provide the optical path folding mirror inside the set housing without the optical unit or chassis member blocking the image light flux, with the projection distance of the projection optical unit as the first parameter. the limit point as a obtains the shift amount of the
さらに、セットの意匠性を優先し、図3に示すように、スクリーン下端からセット筐体下端までの距離Lをできるだけ小さくして、セットを正対して見た場合の観た目スクリーンの占有面積を大きくするためには、第2レンズ鏡筒2の光軸21のシフト量を最適化することが最も効果的である。
Furthermore, giving priority to the design of the set, as shown in FIG. 3, the area occupied by the visual screen when the set is viewed directly facing with the distance L from the lower end of the screen to the lower end of the set housing as small as possible. to be increased, it is most effective to optimize the shift amount of the
セットのモデルを繰り返し試作して得られた知見では、第1に、画面寸法SSが42インチでアスペクト比が16:9のセットにおいては、前述したLが110mm以下であれば意匠性に優れたセット外観が得られた。この時の第2レンズ鏡筒2の光軸21のシフト量は4:1以下であり、シフト量を6:1以下とすればLの値を90mm以下にでき、セット全体に対する観た目スクリーンの占有面積をさらに小さく意匠性に優れたセット外観が得られる。
According to the knowledge obtained by repeatedly producing a set model, first, in a set with a screen size SS of 42 inches and an aspect ratio of 16: 9, if L is 110 mm or less, the design is excellent. A set appearance was obtained. The shift amount of the
この時(シフト量を6:1として、Lの値を90mm以下とした時)、スクリーン外形中心からセット筐体下端までの距離Hは、画面寸法SSが42インチでアスペクト比が16:9のセットにおいては350mmであった。このとき必要な投写光学ユニットの投写距離は380mmとなり、得られるセット奥行きは、光学奥行きのシミュレーション結果である278mmに構造設計上の公差やマージンを考慮して、この値に100mm程度を加え、380mm(42インチ)程度となる。 At this time (when the shift amount is 6: 1 and the value of L is 90 mm or less), the distance H from the center of the screen outer shape to the lower end of the set housing is that the screen dimension SS is 42 inches and the aspect ratio is 16: 9. The set was 350 mm. The projection distance of the projection optical unit required at this time is 380 mm, and the set depth obtained is about 380 mm by adding about 100 mm to this value in consideration of structural design tolerance and margin to 278 mm which is the simulation result of the optical depth. (42 inches).
第2に、画面寸法SSが50インチでアスペクト比が16:9のセットにおけるシミュレーション結果を図8に示す。図3に示したLが130mm以下であれば意匠性に優れたセット外観が得られた。この時の第2レンズ鏡筒2の光軸21のシフト量は4:1以下であり、シフト量を6:1以下とすればLの値を110mm以下にでき、セット全体に対する観た目スクリーンの占有面積をさらに小さく意匠性に優れたセット外観が得られる。
Second, FIG. 8 shows a simulation result in a set in which the screen size SS is 50 inches and the aspect ratio is 16: 9. When L shown in FIG. 3 was 130 mm or less, a set appearance excellent in design was obtained. The shift amount of the
この時(シフト量を6:1として、Lの値を110mm以下とした時)、スクリーン外形中心からセット筐体下端までの距離Hは、画面寸法SSが50インチでアスペクト比が16:9のセットにおいては420mmであった。このときの投写光学ユニットの投写距離は460mmとなり、得られるセット奥行きは、光学奥行きのシミュレーション結果である308mmに構造設計上の公差やマージンを考慮して、この値に100mm程度を加え、410mm(50インチ)程度となる。 At this time (when the shift amount is 6: 1 and the value of L is 110 mm or less), the distance H from the center of the screen outer shape to the lower end of the set housing is that the screen size SS is 50 inches and the aspect ratio is 16: 9. The set was 420 mm. At this time, the projection distance of the projection optical unit is 460 mm, and the set depth obtained is about 308 mm, which is a simulation result of the optical depth, and about 100 mm is added to this value in consideration of structural design tolerances and margins. 50 inches).
第3に、画面寸法SSが60インチでアスペクト比が16:9のセットにおけるシミュレーション結果を図9に示す。図3に示したLが160mm以下であれば意匠性に優れたセット外観が得られた。この時の第2レンズ鏡筒2の光軸21のシフト量は4:1以下であり、シフト量を6:1以下とすればLの値を140mm以下にでき、セット全体に対する観た目スクリーンの占有面積をさらに小さく意匠性に優れたセット外観が得られる。
Third, FIG. 9 shows a simulation result in a set in which the screen size SS is 60 inches and the aspect ratio is 16: 9. When L shown in FIG. 3 was 160 mm or less, a set appearance excellent in design was obtained. The shift amount of the
この時(シフト量を6:1として、Lの値を140mm以下とした時)、スクリーン外形中心からセット筐体下端までの距離Hは、画面寸法SSが60インチでアスペクト比が16:9のセットにおいては515mmであった。このときの投写光学ユニットの投写距離は540mmとなり、得られるセット奥行きは、光学奥行きのシミュレーション結果である398mmに構造設計上の公差やマージンを考慮して、この値に100mm程度を加え、500mm(60インチ)程度となる。 At this time (when the shift amount is 6: 1 and the value of L is 140 mm or less), the distance H from the center of the screen outline to the lower end of the set housing is that the screen dimension SS is 60 inches and the aspect ratio is 16: 9. The set was 515 mm. The projection distance of the projection optical unit at this time is 540 mm, and the set depth obtained is about 398 mm, which is a simulation result of the optical depth, and about 100 mm is added to this value in consideration of structural design tolerances and margins. 60 inches).
以上述べたシミュレーション結果を纏めると表1のようになる。 The simulation results described above are summarized as shown in Table 1.
図10は前記した第1の実施例に用いた本発明の背面投写型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。 FIG. 10 is a layout diagram showing an illumination optical system when a transmissive liquid crystal panel is used as an image display element in the rear projection image display apparatus of the present invention used in the first embodiment.
図10において、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。
In FIG. 10, a white light beam emitted from a lamp tube 30 that is a white light source is reflected by a
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。
Furthermore, the
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。
The above is the description of the color separation unit in the illumination optical system of the present invention when a transmissive liquid crystal panel is used as an image display element. The color light beams separated into red, green, and blue by the above-described technical means are incident on the corresponding transmissive
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。 As described above, the illumination optical system of the present invention has been described with respect to the case where the transmissive liquid crystal panel is used. However, even when the reflective liquid crystal panel is used as the image display element, the projection of the present invention is performed after the image is synthesized. Needless to say, an optical unit is applicable.
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。 As described above, the projection optical unit of the present invention includes at least two lens groups. Since the position of the field lens group can be arranged on the second lens group side or the first lens group side with respect to the optical path folding means, the degree of freedom in layout is great. However, if the field lens is disposed closer to the second lens group than the optical path folding means, the diameters of the individual lenses constituting the field lens group and the second lens group are increased, leading to an increase in cost. In addition, since the lens surface of the field lens is close to the imaging surface of the first lens group, if dust adheres to the lens surface of the field lens, there is a possibility that the image quality of the enlarged screen image will be eventually lost. Therefore, in such a case, attention is required in designing.
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。
As described above, the projection optical unit according to the present invention includes at least two or more lens groups. As shown in FIG. 5 or FIG. 6, the projection optical unit is provided between the transmissive liquid crystal panel that is an image display element and the
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11に、レンズの構成を図12に示した。図12において、各レンズに付した符号は図11におけるレンズ面符号と一致している。図11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12においてはIMGと表記している。
FIG. 11 shows the lens data of the
図13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。 FIG. 13 shows the ray tracing results for the light beam φ1 imaged on the optical axis, the light beam φ2 imaged in the middle area of the screen, and the light beams φ3 and φ4 imaged around the screen.
図14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。 FIG. 14 shows the image forming performance of the first lens group shown as an example of the projection optical unit of the present invention, in the case where the panel size as the object surface is 0.7 inches and the aspect ratio is 16: 9. It is a spot figure in an image surface (IMG). Evaluation is performed by superimposing light having a wavelength of 450 nm as blue light, light having a wavelength of 545 nm as green light, and light having a wavelength of 625 nm as red light. The spot size is converged to about 50 μm, and good performance is obtained.
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15に、レンズの構成を図16に示す。図16において、各レンズに付した符号は図15におけるレンズ面符号と一致している。図16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。
Next, FIG. 15 shows lens data of the
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。
The
図17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。 FIG. 17 shows the ray tracing results for the light beam φ1 imaged on the optical axis, the light beams φ2 and φ3 imaged in the middle area of the screen, and the light beams φ4 and φ5 imaged around the screen.
図18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。
FIG. 18 shows the imaging performance of the
図19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20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。
FIG. 19 shows an example in which the optical axis of the
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背面投写型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、光路折り返しミラー1枚でもスクリーン下端からセット筐体の下端までの間隔が小さくても従来に無いほどコンパクトなセットが実現できる。 As described above, in the rear projection type image display apparatus employing the projection optical unit of the present invention, it is possible to enjoy a powerful screen with a sufficiently large magnification even if the distance to the reflection screen is short. Further, by using the projection optical unit of the present invention in the rear projection type image display device, even with one optical path folding mirror, even if the distance from the lower end of the screen to the lower end of the set housing is small, a compact set is unprecedented. realizable.
なお、本発明による投写光学ユニットは、背面投写型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。 Needless to say, the projection optical unit according to the present invention is not limited to the rear projection type image display device, but can be applied to the front projection type image display device that projects from the front surface of the screen.
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、これを採用した映像表示装置や背面投写型映像表示装置では、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。 As described above, according to the projection optical unit of the present invention, even when the magnification is increased, it is possible to achieve both a wide angle of view and a high focus necessary for making the set compact. In addition, even if the effective screen size of the image display element used changes, it is possible to cope with it by changing a part of the projection optical unit. It is possible to obtain an unprecedented great advantage that the development cost for the model development accompanying the size development and the change of the effective display area of the video display element can be reduced.
SS…画面サイズ(インチ)、D…奥行き(インチ)、L…スクリーン下端から筐体下端までの距離、H…スクリーン中心高さ、1…照明光学系、2…第2レンズ鏡筒、3…第1レンズ鏡筒、4…光学ユニット、5…筺体、6…スクリーン、7…光路折り返しミラー、8,8a,8b…信号・電源回路等、9…セット外枠、11…照明光学系部分、12…投写光学ユニット、14…光学ユニット、15…筐体、16…スクリーン、17…光路折り返しミラー、22…第1レンズ群、24…第2レンズ群、23…フィールドレンズ群、25…光路折り返し手段、26…光路折り返しミラー、27…ダイクロイックプリズム、30…白色光源(ランプ管球)、31…リフレクタ、33…防爆ガラス、34,36…フライアイレンズ、35…偏光ビームスプリッタ、37…フィールドレンズ、38…ダイクロイックミラー、39…ダイクロイックミラー、41,42,43…ミラー、44,45…レンズ、51…液晶パネル(G),52…液晶パネル(B)、53…液晶パネル(R)、51´,52´,53´…レンズ、210…投写光学ユニット。
SS: Screen size (inch), D: Depth (inch), L: Distance from the lower end of the screen to the lower end of the housing, H: Height of the screen center, 1 ... Illumination optical system, 2 ... Second lens barrel, 3 ... 1st lens barrel, 4 ... optical unit, 5 ... housing, 6 ... screen, 7 ... optical path folding mirror, 8, 8a, 8b ... signal / power circuit, etc. 9 ... set outer frame, 11 ... illumination optical system part, DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記映像表示素子を駆動する駆動回路と、
前記映像表示素子に表示された像を、スクリーン上に拡大投影する投写光学ユニットを備え、当該投写光学ユニットは、
前記映像表示素子に表示された像をM1倍に拡大した第1の拡大像として結像させる第1のユニットと、
前記第1の拡大像をM2倍に拡大した第2の拡大像として前記スクリーンに結像させる第2のユニットと、
前記第1のユニットと前記第2のユニットの間に配置される正の屈折力を有するレンズまたはレンズ群と、
を備え、
前記映像表示素子の映像表示面は前記第1のユニットの光軸に対して略垂直に配置されており、前記第1の拡大像は、前記正の屈折力を有するレンズまたはレンズ群近傍で結像し、前記第1のユニットの光軸と前記第2のユニットの光軸はずれている、投写型映像表示装置。 An image display element for displaying an image based on a light beam incident from a light source;
A drive circuit for driving the video display element;
A projection optical unit that enlarges and projects an image displayed on the image display element on a screen, and the projection optical unit includes:
A first unit that forms an image displayed on the video display element as a first enlarged image enlarged by M1;
A second unit that forms an image on the screen as a second enlarged image obtained by enlarging the first enlarged image by M2 times;
A lens or a lens group having a positive refractive power disposed between the first unit and the second unit;
With
The image display surface of the image display element is disposed substantially perpendicular to the optical axis of the first unit, and the first enlarged image is formed near the lens or lens group having the positive refractive power. And a projection type image display device in which the optical axis of the first unit and the optical axis of the second unit are shifted.
前記駆動回路を収容する筺体と、を備え、
前記筺体を、前記スクリーン下部の左右何れか一方に配置し、他方に前記光学装置を配置する、請求項1記載の投写型映像表示装置。 An optical device that houses the video display element, the first unit, and the second unit;
A housing that houses the drive circuit,
The projection display apparatus according to claim 1, wherein the casing is disposed on either the left or right side of the lower portion of the screen, and the optical device is disposed on the other side.
前記第1のユニットのF値をF1、前記第2のユニットのF値をF2とすると、F2=F1×M1の関係となる、請求項1記載の投写型映像表示装置。 The M1 is smaller than the M2,
2. The projection display apparatus according to claim 1, wherein the relationship of F2 = F1 × M1 is satisfied, where F1 of the first unit is F1 and F2 of the second unit is F2.
前記映像表示素子を駆動する駆動回路と、
前記映像表示素子に表示された像を、スクリーン上に拡大投影する投写光学ユニットを備え、当該投写光学ユニットは、
前記映像表示素子に表示された像をM1倍に拡大した第1の拡大像として結像させる第1のユニットと、
前記第1の拡大像をM2倍に拡大した第2の拡大像として前記スクリーンに結像させる第2のユニットと、
前記第1のユニットと前記第2のユニットの間に配置される正の屈折力を有するレンズまたはレンズ群と、
を備え、
前記映像表示素子の映像表示面は前記第1のユニットの光軸に対して略垂直に配置されており、前記第1の拡大像は、前記正の屈折力を有するレンズまたはレンズ群近傍で結像し、前記第1のユニットの光軸と前記第2のユニットの光軸はずれており、
前記第1のユニットの光学系は、レトロフォーカスタイプである、投写型映像表示装置。 An image display element for displaying an image based on a light beam incident from a light source;
A drive circuit for driving the video display element;
A projection optical unit that enlarges and projects an image displayed on the image display element on a screen, and the projection optical unit includes:
A first unit that forms an image displayed on the video display element as a first enlarged image enlarged by M1;
A second unit that forms an image on the screen as a second enlarged image obtained by enlarging the first enlarged image by M2 times;
A lens or a lens group having a positive refractive power disposed between the first unit and the second unit;
With
The image display surface of the image display element is disposed substantially perpendicular to the optical axis of the first unit, and the first enlarged image is formed near the lens or lens group having the positive refractive power. The optical axis of the first unit is off the optical axis of the second unit,
The optical system of the first unit is a retrofocus type projection display apparatus.
前記駆動回路を収容する筺体と、を備え、
前記筺体を、前記スクリーン下部の左右何れか一方に配置し、他方に前記光学装置を配置する、請求項10記載の投写型映像表示装置。 An optical device that houses the video display element, the first unit, and the second unit;
A housing that houses the drive circuit,
The projection display apparatus according to claim 10, wherein the housing is disposed on either the left or right of the lower portion of the screen, and the optical device is disposed on the other.
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