JP5175042B2 - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投射型画像表示装置に係り、さらに詳細には、スクリーン下端部から底面までの高さを縮め、画像表示装置の厚さを薄くする超薄型の投射型画像表示装置に関する。

投射型画像表示装置は、光源から出射された光をディスプレイ素子で画素単位でオン−オフ制御してカラー画像を形成し、このカラー画像をスクリーンに向って拡大投射させる装置である。

最近になって画面サイズに制限があり、システムのサイズが大きい既存のブラウン管を代替して、薄型でありつつ大画面を具現できるディスプレイが注目されており、現在ではこのうちでも投射表示方式が主流をなしている。投射型画像表示装置は、大画面化、高画質化と共に省スペースできるように薄型化し、スクリーン以外の部分を小型化することが要求されている。

投射型画像表示装置を薄型化しつつ大画面化するために、投射光学系から投射される光の画角を広角に作る必要がある。しかし、投射光学系をスクリーンの中心部に配置する場合、投射光学系からの光線束の画角を大きくするには限界がある。したがって、図１に図示されたように、画像表示装置のキャビネット５０をさらに薄型化するために、投射光学系２０がスクリーン４０の下方に傾いて配置される。図１の画像表示装置の動作を説明すれば、ディスプレイ素子１０で形成された画像が投射光学系２０を通じて拡大投射されて反射ミラー３０に入射される。そして、前記反射ミラー３０で反射された画像がスクリーン４０に投影される。この結果、投射される光束の傾いた断面に対応する画像がスクリーン４０に形成されるので、さらに大きい画面を作ることができる。

しかし、このように投射光学系２０をスクリーン４０の下部側に位置させれば、キャビネット５０の底面とスクリーン下端部との間（以下、チン（ｃｈｉｎ）という）の高さｈが大きくなるという問題点がある。
日本特許公開２００１−２６４６２７号公報 米国特許第６６１２７０４号明細書

本発明は、前記のような問題点に鑑みてなされたものであり、投射光学系の光路を妨害せずにチンの高さを低くして薄型化した投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１実施形態による投射型画像表示装置は、キャビネットと、前記キャビネットの前面に配置されるスクリーンと、前記スクリーンの下部に配置され、ディスプレイ素子で形成された画像を拡大投射する投射光学系と、前記キャビネットの底面に配置され、前記投射光学系で拡大投射された画像を反射させる光路変化部と、前記スクリーンの下方で傾いて対向して配置され、前記光路変化部で反射された画像を前記スクリーンに向って広角に反射させる反射部と、を備え、前記投射光学系は、前記反射部の有効面下端部を過ぎて前記スクリーンに垂直な水平面と、前記キャビネットの前面と、前記スクリーンに入射される有効下部光線から形成される下部光線面とで取り囲まれた空間に配置されることを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第２実施形態による投射型画像表示装置は、キャビネットと、前記キャビネットの前面に配置されるスクリーンと、前記スクリーンの背面に配置され、ディスプレイ素子で形成された画像を拡大投射する投射光学系と、前記キャビネットの底面に配置され、前記投射光学系で投射された画像を反射させる光路変化部と、前記スクリーンの下部に配置され、前記光路変化部で反射された画像を広角に反射させる反射部と、前記スクリーンと前記投射光学系との間で前記スクリーンに平行に配置され、前記反射部で反射された画像を前記スクリーンに再反射させるバックミラーとを備え、前記投射光学系は、前記反射部の有効面下端部を過ぎて前記スクリーンに垂直な水平面の上部に配置されることを特徴とする。

本発明による投射型画像表示装置は、光路変換器を備えてチンの高さを低くしつつ薄型化した投射型画像表示装置を提供できる。すなわち、スクリーンに入射される光線の外郭に残っている空間を活用して、その空間に光学エンジンを配置することによって投射型画像表示装置をコンパクト化できる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態による投射型画像表示装置を詳細に説明する。この過程で図面で同じ参照符号は同じ構成要素を称し、各構成要素の大きさや厚さは説明の明瞭性のために誇張されていることもある。

図２は、本発明の第１実施形態による投射型画像表示装置の光学配置を示した概略的な側面図である。図２を参照するに、本発明の第１実施形態による投射型画像表示装置は、キャビネット２１０と、キャビネット２１０の前面に配置されるスクリーン２００と、スクリーン２００の下部に配置される投射光学系１１０と、キャビネット２１０の底面２１２に配置される光路変換部１５０と、スクリーン２１０の下方で傾いて対向して配置される反射部１６０と、投射光学系１１０内に配置されるフォールディングミラー１７０と、を備える。

図３を参照して投射光学系１１０を説明する。図３は、光路変換部１５０とフォールディングミラー１７０とのない状態で、ディスプレイ素子１００から反射部１６０までの光学系を概略的に示したものである。

ディスプレイ素子１００は、受光されたビームを画像情報入力部（図示せず）から入力された画像情報によって変調して画像を形成する。ディスプレイ素子１００としては、例えば、稼動ミラー装置（ＤＭＤ；デジタルマイクロミラーデバイス）、液晶表示素子（ＬＣＤ）、グレーティングライト弁（ＧＬＶ）、ＬＣｏＳ（リキッドクリスタルオンシリコン）などが使われうる。

投射光学系１１０は、第１レンズ群１２０ないし第３レンズ群１４０を備える。

第１レンズ群１２０は、ディスプレイ素子１００で形成された画像のフォーカスを調節する機能を行う。第１レンズ群１２０は、少なくとも１枚の非球面レンズを備え、テレセントリック光学系の特性を持つことが望ましい。

第２レンズ群１３０は、前記第１レンズ群から伝えられる画像が第２レンズ群１３０と第３レンズ群１４０との間の光路上で中間像１３０ａを形成するようにする。

第３レンズ群１４０は、第２レンズ群１３０によって形成された中間像１３０ａを拡大して、反射部１６０と共に大画面の画像を形成する。

反射部１６０は、負のパワーを持って投射光学系１１０で拡大した画像をさらに拡大して、広角の画像を前記スクリーン（図２の参照符号２００）に反射させる。反射部１６０は、超薄型の画像表示装置を具現するために、図２に示したように、反射部１６０は、スクリーン２００の下部に配置されてスクリーン２００にななめに画像を反射する。このように画像を広角にななめに反射することによって発生しうる収差を補正するために、反射部１６０は非球面ミラーであることが望ましい。

反射部１６０により収差が補正されるとしても歪曲が発生し、このような歪曲を除去させるために投射光学系１１０で予備的に反射部１６０で発生する歪曲と逆の形状の歪曲を発生させて、反射部１６０で発生した歪曲を相殺させることができる。例えば、第２レンズ群１３０で第１歪曲を発生させて反射部１６０により発生する歪曲を相殺させることができ、第３レンズ群１４０で第２歪曲を発生させて反射部１６０により発生する歪曲を相殺させることもでき、前記第１歪曲と前記第２歪曲とが合成されて反射部１６０により発生する歪曲を相殺させることもできる。

図４は、図２の投射型画像表示装置の概略的な背面図であり、図５及び図６は、本発明の一特徴である投射光学系１１０、光路変換部１５０及びフォールディングミラー１７０の配置関係を示したものである。図２ないし図６を参照して、第１実施形態による投射型画像表示装置の光学配置を説明する。

スクリーン２００は、キャビネット２１０の前面２１１に配置される。

投射光学系１１０は、図２に図示されたように、水平面Ｐと、前記キャビネットの前面２１１と、下部光線面Ｌとで取り囲まれた空間２０５に配置される。前記水平面Ｐは、反射部１６０の有効面Ｓの下端部を過ぎてスクリーン２００に垂直な面である。前記有効面Ｓとは、反射部１６０の反射面のうちスクリーン２００に画像を形成する光が反射される部分を意味する。そして、前記下部光線面Ｌとは、反射部１６０で反射されてスクリーン２００に画像を形成する光のうちスクリーン２００の最下部に入射される光線から形成される面を意味する。

投射光学系１１０から出た光がキャビネット２１０の底面２１２に配置された光路変換部１５０に向かうように、投射光学系１１０の最後のレンズの光軸は、光路変換部１５０に向わねばならない。このために、図５及び図６でに示したように、フォールディングミラー１７０が第３レンズ群１４０内に配置される。

第３レンズ群１４０は、フォールディングミラー１７０を境界として、第２レンズ群１３０に隣接した第１投射レンズ群１４２と、光路変換部１５０に隣接した第２投射レンズ群１４４とに区分できる。フォールディングミラー１７０は、第１投射レンズ群１４２を透過した光を第２投射レンズ群１４４に反射させる。この時に反射される角度は、フォールディングミラー１７０の配置される角度によって調整できる。

投射光学系１１０が空間２０５に置かれるためには、第１投射レンズ群１４２がキャビネット２１０の前面２１１に平行に配置されることが望ましい。さらに、第１投射レンズ群１４２がキャビネット２１０の底面２１２と平行に配置されることが望ましい。第２投射レンズ群１４４の光軸は、第１投射レンズ群１４２の光軸と垂直であり、光路変換部１５０に向かう。

ディスプレイ素子１００、第１レンズ群１２０及び第２レンズ群１３０とは、前記第１投射レンズ群の光軸と同軸に置かれて、ディスプレイ素子１００から第１投射レンズ群１４２までの一連の光学部材は一列に空間２０５に配置される。光学設計によっては、投射光学系１１０内に光路を曲げ込むフォールディングミラーをさらに備えて投射光学系１１０の長さをさらに短くすることができる。例えば、第１レンズ群１２０と第２レンズ群１３０との間の光路を曲げ込むフォールディングミラーをさらに備えることができる。

光路変換部１５０は、第２投射レンズ群１４４を透過した光を反射部１６０に反射させる。光路変換部１５０は、キャビネット２１０の底面２１２に配置される。光路変換部１５０は平板ミラーでありうる。図２から分かるように、画像表示装置の光学設計において、スクリーンとこれに相応する反射部との位置は、調整できるマージンが相対的に少ないために、光路変換部１５０の傾斜角度（θ）を調節して投射光学系１１０を空間２０５に配置させる。

また、スクリーン２００の下端部から底面２１２までの距離である‘チン’の高さＡ１がさらに低くなるように、光路変換部１５０は、反射部１６０に隣接して配置されることが望ましい。

前述した第１実施形態による投射型画像表示装置は、例えば、Ｆ／＃２．５、テレセントリック光学特性を持つ投射光学系を利用して５６インチのスクリーンに具現される場合、前記投射型画像表示装置のキャビネット厚さＢ１は２３０mm以下であり、チンの高さＡ１は１６０mmに構成できて、チンの高さが低くて超薄型の画像表示装置が製作できる。

図７は、本発明の第２実施形態による投射型画像表示装置の光学的配置を示した概略的な側面図であり、図８は、光路変換部１５０とフォールディングミラー１７０とのない状態でディスプレイ素子１００からスクリーン２００までの光学系を概略的に示したものである。

図面を参照するに、本発明の第２実施形態による投射型画像表示装置は、キャビネット２１５と、キャビネット２１５の前面に配置されるスクリーン２００と、スクリーン２００の背面に配置される投射光学系１１０と、キャビネット２１５の底面に配置される光路変換部１５０と、スクリーン２００の下部に配置される反射部１６０と、スクリーン２００と投射光学系１１０との間でスクリーン２００に平行に配置されるバックミラー１８０と、投射光学系１１０内に配置されるフォールディングミラー１７０と、を備える。投射光学系１１０は、第１レンズ群１２０ないし第３レンズ群１４０を備える。

図面から分かるように、本発明の第２実施形態による投射型画像表示装置において、反射部１６０までの光学系は、前記の第１実施形態による投射型画像表示装置の構成及び動作と実質的に同一であるので、これについての説明は省略し、第２実施形態の主な特徴であるバックミラー１８０により変わる光路と投射光学系１１０の位置とについて詳細に説明する。

投射光学系１１０は、図７に示したように、水平面Ｐの上部及びバックミラー１８０の背面側空間２０６に配置される。前記水平面Ｐは、反射部１６０の有効面Ｓの下端部を過ぎてスクリーン２００に垂直な面である。

キャビネット２１５の厚さはさらに薄く、投射光学系１１０はバックミラー１８０の背面に隣接して配置されることが望ましい。

光路変換部１５０は、投射光学系１１０から出た光を反射部１６０に反射させる。

スクリーン２００の下部に配置された反射部１６０は、バックミラー１８０から見る時、スクリーン２００と同じ方向にある。反射部１６０は、光路変換部１５０で反射された光をバックミラー１８０に広角に反射させる。

スクリーン２００に平行に配置されたバックミラー１８０は、反射部１６０から反射された画像をスクリーン２００にななめに再反射させる。図７に示したように、投射光学系１１０−光路変換部１５０−反射部１６０につながる光路を妨害しないように、バックミラー１８０は、光路変換部１５０と所定の距離ほど離隔されて光路変換部１５０の上部に配置される。

前述した第２実施形態による投射型画像表示装置は、例えば、Ｆ／＃２．５、テレセントリック光学特性を持つ投射光学系を利用して５６インチのスクリーンに具現される場合、スクリーン２００とバックミラー１８０との間の距離Ｃは１１０mm以下に構成され、投射光学系１１０が設置される部分の厚さＤは１１０mmに構成される。この場合、画像表示装置のキャビネット厚さＢ２は２３０mm以下であり、チンの高さＡ２は１５０mmに構成されて、チンの高さが低くて超薄型の画像表示装置が製作できる。

前述した実施形態で光路を曲げ込むためのミラーは光路変換器の一例であり、光学設計によって全反射プリズムのような光路変換器に代替可能である。

このような本願発明の投射型画像表示装置は、理解を助けるために図面に図示された実施形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲により定められねばならない。

本発明は、投射光学系の光路を妨害せずにチンの高さを低くして薄型化したプロジェクションテレビのような投射型画像表示装置に好適に用いられる。

従来の投射型画像表示装置を概略的に示した図である。 本発明の第１実施形態による投射型画像表示装置の光学配置を示した概略的な側面図である。 図２の投射型画像表示装置の概略的な背面図である。 図２の投射型画像表示装置の投射光学系を概略的に示した図である。 図３の投射光学系に第２及び第３ミラーが配置された場合の光路を概略的に示した図である。 図３の投射光学系に第２及び第３ミラーが配置された場合の光路を概略的に示した図である。 本発明の第２実施形態による投射型画像表示装置の光学配置を示した概略的な側面図である。 図７の投射型画像表示装置の投射光学系を概略的に示した図である。

符号の説明

１１０ 投射光学系
１５０ 光路変換部
１６０ 反射部
１７０ フォールディングミラー
２００ スクリーン
２１０ キャビネット
２１１ キャビネットの前面
２１２ キャビネットの底面
Ａ１ チンの高さ
Ｂ１ キャビネット厚さ
Ｐ 水平面
Ｓ 反射部の有効面

Claims (12)

1. キャビネットと、
   前記キャビネットの前面に配置されるスクリーンと、
   前記スクリーンの下部に配置され、ディスプレイ素子で形成された画像を拡大投射する投射光学系と、
   前記キャビネットの底面に配置され、前記投射光学系で拡大投射された画像を反射させる光路変化部と、
   前記スクリーンの下方で傾いて対向して配置され、前記光路変化部で反射された画像を前記スクリーンに向って広角に反射させる反射部とを備え、
   前記投射光学系は、前記反射部の有効面下端部を過ぎて前記スクリーンに垂直な水平面と、前記キャビネットの前面と、前記スクリーンに入射される有効下部光線から形成される下部光線面とで取り囲まれた空間に配置され、
   前記光路変化部は平板ミラーであり、
   前記光路変化部は前記反射部に隣接して配置され、
   前記反射部は一つの非球面ミラーであることを特徴とする投射型画像表示装置。
2. 前記投射光学系は、前記ディスプレイ素子で形成された画像のフォーカスを調節する第１レンズ群と、前記第１レンズ群を通過した画像の中間像を形成する第２レンズ群と、前記第２レンズ群で形成された中間像を拡大して投射する第３レンズ群とを備えることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
3. 前記第３レンズ群内に配置されて前記第３レンズ群の光路を曲げ込むフォールディングミラーをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
4. 前記第３レンズ群は、前記第２レンズ群と前記フォールディングミラーとの間の第１投射レンズ群と、前記フォールディングミラーと前記光路変換部との間の第２投射レンズ群とを備え、前記第１投射レンズ群の光軸は前記キャビネットの前面に平行したことを特徴とする請求項３に記載の投射型画像表示装置。
5. 前記第１投射レンズ群の光軸は、前記キャビネットの底面に平行したことを特徴とする請求項４に記載の投射型画像表示装置。
6. 前記ディスプレイ素子と前記第１及び第２レンズ群と前記第１投射レンズ群の光軸とが同軸で配置されることを特徴とする請求項５に記載の投射型画像表示装置。
7. 前記第２投射レンズ群の光軸は、前記第１投射レンズ群の光軸と垂直なことを特徴とする請求項５に記載の投射型画像表示装置。
8. 前記第１レンズ群は、テレセントリック光学系の特性を持つことを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
9. 前記第１レンズ群は、少なくとも１枚の非球面レンズを備えることを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
10. 前記第２レンズ群は、第１歪曲を発生させて前記反射部により発生する歪曲を相殺させることを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
11. 前記第３レンズ群は、第２歪曲を発生させて前記反射部により発生する歪曲を相殺させることを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
12. 前記第２レンズ群は第１歪曲を発生させ、前記第３レンズ群は第２歪曲を発生させて、前記第１歪曲と前記第２歪曲とは互いに協同して前記反射部により発生する歪曲を相殺させることを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。

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