KR20070057694A - 투사 광학계 및 투사형 화상 표시 장치 - Google Patents

투사 광학계 및 투사형 화상 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투사 광학계 및 투사형 화상 표시 장치에 관한 것으로서, 저왜곡으로 고해상력을 유지하면서, 반사면의 크기를 작게 하면서, 반사면의 수를 감소시킨, 예를 들면, 리어 프로젝션 텔레비전에 있어서, 그 안길이를 작게 하고, 또한, 화면(畵面)의 하방(또는 상방) 부분을 작게 하는 데 바람직한 투사 광학계를 제공하는 것을 과제로 한다. 축소 측의 1차 상면(像面)으로부터 확대 측의 2차 상면으로 확대 투사하는 투사 광학계로서, 상기 1차 상면의 중간상(II의 위치)을 결상하는 제1 광학계 L11과, 상기 중간상에 의한 상기 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면 AM1을 가지는 제2 광학계 L12를 구비하며, 상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 광축을 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사하고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달한다.
고해상력, 반사면, 화면, 상면, 광축.

Description

투사 광학계 및 투사형 화상 표시 장치 {PROJECTION OPTICAL SYSTEM AND PROJECTION TYPE IMAGE DISPLAY DEVICE}
본 발명은 신규의 투사(投射) 광학계 및 투사형 화상 표시 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 저왜곡으로 고해상력을 유지하면서, 안길이를 작게 하고, 또한 화면의 하방(또는 상방) 부분을 작게 하는 기술에 관한 것이다.
최근, 리어 프로젝션 텔레비전에 대한 수요가 급속히 높아지고 있다. 리어 프로젝션 텔레비전은 LCD(Liquid Crystal Display) 직시형(直視型) TV, PDP(Plasma Display Panel)로 대표되는 플랫 텔레비전으로서의 요소를 가지며, 또한 이들과 비교하여, 1인치 정도의 화상 표시 소자를 확대 투사하는 시스템이기 때문에, 저가격으로 제공할 수 있다. 또, BS(Broadcasting Satellite) 디지털 방송, 지상파 디지털 방송으로 대표되는 풀 HD(High Definition) 신호 레벨의 고화질화 요구에 대해서도, 비교적 용이하게 대응할 수 있는 것이 주된 요인이다.
그 한편, 광원, 조명 광학계, 투사 광학계를 탑재하고, 대구경의 배면 미러를 사용하여 스크린에 투사하기 때문에, 도 62에 나타낸 바와 같이, 광축 a가 화상 표시 소자 b 및 스크린 c의 중심을 통과하도록 투사하는 종래의 방법에서는, 원리적으로 보아, 안길이 d와 화면 하방의 크기 e를 동시에 작게 하는 것은 매우 곤란 하다.
그 밖에도, 투사 화상의 대형화를 달성하면서도 리어 프로젝션 텔레비전의 박형화(안길이 방향의 소형화)를 달성하기 위해, 스크린에 대하여 경사 방향으로부터 투사하는(이하, 「경사 투사」라고 함) 광학계가 있다.
예를 들면, 일본국 특개평 5(1993)-100312호 공보에는, 투사 광학계로서 대화각의 광각 렌즈를 사용하고, 투사 광학계의 광축에 대하여, 화상 표시 소자 및 스크린을 시프트하여 배치하고, 화각의 단(端) 부분을 사용함으로써 경사 투사를 행하는 것이 제안되어 있다.
또, 일본국 특개평 5(1993)-80418호 공보에는, 라이트 밸브에 따른 화상광을 제1 투사 광학계에 의해 중간 결상(結像)시키고, 제2 투사 광학계에 의해 스크린에 확대 투사하여, 각 투사 광학계의 광축을 적당히 경사지게 함으로써, 경사 투사를 행하는 것이 제안되어 있다. 또, 최근에는, 광각화에 따른 색 수차의 발생을 억제하기 위해 반사면을 이용하여 경사 투사를 실현한 투사 광학계가 제안되어 있다.
재공표(再公表) 특허 WO01/006295호 공보에 나타나 있는 투사 광학계에서는, 주로 굴절 광학계 g와 볼록 반사면 f로 이루어지는 광학계를 사용하여 경사 투사를 실현하고 있다. 도 63은 재공표 특허 WO01/006295호 공보에 나타나 있는 광학계의 개략을 나타낸 것이다.
또, 일본국 특개 2002-40326호 공보에서는, 화상 표시 패널 h로부터 순서대로 오목, 볼록, 볼록, 볼록의 4개의 반사면 i, j, k, l을 사용하여 색 수차가 없는 투사 광학계를 달성하고 있다(도 64 참조).
이들 특허 공보에서 나타난 광학계는 광축에 대하여 회전 대칭의 구성을 하고 있으며, 초광각 광학계의 일부분을 사용하여 경사 투사를 행하고 있다.
일본국 특개 2001-255462호 공보에서는, 오프액셜(off-axial) 광학계를 사용한 경사 투사 광학계가 제안되어 있다. 이 광학계에서는, 오프액셜 광학계를 사용함으로써 사다리꼴 왜곡을 보정하고, 또한 복수개의 반사면 m, m, … 과 반사면 n 사이에서 중간상을 연결함으로써 반사면의 크기를 억제한 투사 광학계를 달성하고 있다(도 65 참조).
재공표 특허 WO01/006295호 공보에 나타난 광학계와 같이, 볼록 반사면 f와 굴절 광학계 g를 조합한 투사 광학계의 경우, 굴절 광학계만의 구성과 비교하여, 색 수차를 취하기 쉽고, 또한 광각화가 용이하다. 반면 하나의 반사면에서 발산 작용의 대부분을 담당하기 때문에, 왜곡이나 상면(像面)의 수차 보정을 적절히 하려면 그 굴절력을 어느 정도 작게 하지 않으면 안되어, 필연적으로, 볼록 반사면 f의 대형화 및 새그(sag)량의 증대화를 초래하는 경향을 가진다. 이것은 볼록 반사면의 제조가 곤란하게 될 뿐만 아니라, 화면 하방 부분(도 62의 e 참조)이 높아지고, 또, 리어 프로젝션 텔레비전을 이 투사 광학계에 의해 구성한 경우에, 안길이(도 62의 d 참조)도 커지게 된다.
일본국 특개 2002-40326호 공보에 나타난 투사 광학계에서는, 굴절 광학계를 가지고 있지 않기 때문에, 원리적으로 색 수차는 발생하지 않고, 또한 렌즈에 의한 흡수도 없기 때문에, 밝은 광학계를 달성할 수 있다. 그러나, 반사면만으로의 구성으로 되기 때문에, 각 반사면의 면 정밀도, 조립 정밀도에 매우 민감하여, 제조 비용이 증대하는 경향에 있다. 또, 복수개의 반사면(i~l)을 세로 방향으로 배치하기 때문에, 화면 하방의 부분(도 62의 e 참조)이 높아진다. 또한, 박형화를 하기 위해, 투사 각도를 더욱 크게 하면 반사면, 특히, 최종단의 반사면(l)이 커져 버려, 반사면의 제조가 곤란하게 되는 동시에, 리어 프로젝션 텔레비전을 이 투사 광학계에 의해 구성한 경우에, 화면 하방 부분의 보다 대형화를 초래한다.
일본국 특개 2001-255462호 공보에 기재되어 있는 투사 광학계의 경우, 중간 결상면을 가짐으로써, 광각화하면서도 반사면을 작게 할 수 있다고 하는 이점을 가진다. 반면, 반사면을 편심시킴으로써 발생하는 편심 수차를 나머지의 편심된 반사면에서 보정하게 되어, 적어도 반사면이 3면 이상 필요하게 된다. 따라서, 리어 프로젝션 텔레비전을 이 투사 광학계에 의해 구성한 경우에, 화면 하방의 충분한 소형화를 실현하려면 역시 제약이 있고, 또한 반사면은 회전 대칭의 구성이 아니고, 자유 곡면에 의해 구성되며, 면 정밀도, 조립 정밀도에 매우 민감하여, 제조가 어렵고 비용 상승으로 연결된다고 하는 문제가 있다.
그래서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여, 저왜곡으로 고해상력을 유지하고, 반사면의 크기를 작게 하면서, 반사면의 수를 삭감하고, 예를 들면, 리어 프로젝션 텔레비전에 있어서, 그 안길이를 작게 하고, 또한 화면의 하방(또는 상방) 부분을 작게 하기 위해 바람직한 투사 광학계를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 투사 광학계는 상기한 과제를 해결하기 위해, 축소 측의 1차 상면의 중간상을 결상하는 제1 광학계와, 상기 중간상에 의한 확대 측의 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면을 가지는 제2 광학계를 구비하며, 상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 제1 광학계의 광축과 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사하고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달하도록 구성한 것이다.
또, 본 발명의 투사형 화상 표시 장치는 상기한 과제를 해결하기 위해, 광원과, 상기 광원으로부터 발해진 광을 영상 신호에 따라 변조하여 출력하는 변조 수단과, 상기 변조 수단 측의 1차 상면으로부터 스크린 측의 2차 상면으로 확대 투사하는 투사 광학계를 구비하며, 상기 투사 광학계는 상기 1차 상면의 중간상을 결상하는 제1 광학계와, 상기 중간상에 의한 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면을 가지는 제2 광학계를 가지며, 상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 제1 광학계의 광축과 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사하고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달하도록 구성한 것이다.
따라서, 본 발명에서는, 1차 상면의 중심으로부터 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 제1 광학계의 광축과 교차하고, 이어서, 오목 반사면에서 반사되고, 다시 상기 광축과 교차하여 2차 상면에 도달하는 광로를 추적함으로써, 예를 들면, 대략 수평 방향으로 배치된 제1 광학계로부터 2차 상면에 결상하는 광을 제2 광학계에 의해 상방으로 출력시킨다. 그리고, 제2 광학계는 제1 광학계의 중간상 상의 1점으로부터 확대가 작은 광속(光束)을 제2 차 상면 상의 1점에 수속시키면 되어, 소형의 광학 부품에 의해 실현할 수 있다. 또, 본 발명의 투사 광학계에 의해 투사형 화상 표시 장치를 구성한 경우에, 예를 들면, 대략 수평 방향으로 배치된 제1 광학계로부터 2차 상면에 결상하는 광을 제2 광학계에 의해 상방(또는 하방)에 출력시킴으로써, 종래 필요하게 된 스크린 하방(또는 상방)에 배치되는 광학계의 스페이스가 대폭 감소된다.
본 발명의 투사 광학계는 축소 측의 1차 상면으로부터 확대 측의 2차 상면으로 확대 투사하는 투사 광학계로서, 상기 1차 상면의 중간상을 결상하는 제1 광학계와, 상기 중간상에 의한 상기 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면을 가지는 제2 광학계를 구비하며, 상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 제1 광학계의 광축과 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사하고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 투사형 화상 표시 장치는 광원과, 상기 광원으로부터 발해진 광을 영상 신호에 따라 변조하여 출력하는 변조 수단과, 상기 변조 수단 측의 1차 상면으로부터 스크린 측의 2차 상면으로 확대 투사하는 투사 광학계를 구비하며, 상기 투사 광학계는 상기 1차 상면의 중간상을 결상하는 제1 광학계와, 상기 중간상에 의한 상기 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면을 가지는 제2 광학계를 구비하며, 상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 제1 광학계의 광축과 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사하고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 투사 광학계에 있어서는, 1차 상면의 중심으로부터 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 제1 광학계의 광축과 교차하고, 이어서, 오목 반사면에서 반사되고, 다시 상기 광축과 교차하여 2차 상면에 도달하는 광로를 추적하도록 구성함으로써, 제1 광학계에 의해 일단 중간 결상면을 형성하고, 이 중간 결상면의 뒤에 오목 반사면을 배치하여 다시 제2 상면에 결상시키므로, 오목 반사면을 대형화시키지 않고, 수차 보정이 양호하게 되어 충분한 광학 성능을 가지는 대형 화면을 형성할 수 있다.
또, 본 발명의 투사형 화상 표시 장치는 상기한 투사 광학계를 사용하여 변조 수단에 의해 형성된 화상을 스크린에 투사하므로, 박형화와 스크린 하방(또는 상방)의 소형화를 달성하면서, 수차 보정이 양호하게 되어 충분한 광학 성능을 가지는 대형의 확대 화상을 표시할 수 있다.
도 1은 도 2 내지 도 9와 함께 제1 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 2는 투사 광학계의 확대도이다.
도 3은 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 5는 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 7 내지 도 9와 함께 리어 프로젝션 텔레비전의 구성예를 광적(光跡)의 일부와 함께 나타낸 것이며, 본 도면은 스크린의 배면측으로부터 본 개략 사시도이다.
도 7은 개략 측면도이다.
도 8은 투사 광학계를 나타낸 확대 사시도이다.
도 9는 스크린의 직전에 배치한 미러로부터 스크린으로 향하는 광속(光束)의 최외역(最外域) 광선과 스크린이 이루는 각도를 설명하는 도면이다.
도 10은 도 11 내지 도 18과 함께 제2 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 11은 투사 광학계의 확대도이다.
도 12는 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 14는 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 15는 도 16 내지 도 18과 함께 리어 프로젝션 텔레비전의 구성예를 광적의 일부와 함께 나타낸 것이며, 본 도면은 스크린의 배면측으로부터 본 개략 사시도이다.
도 16은 개략 측면도이다.
도 17은 투사 광학계를 나타낸 확대 사시도이다.
도 18은 스크린의 직전에 배치한 미러로부터 스크린으로 향하는 광속의 최외역 광선과 스크린이 이루는 각도를 설명하는 도면이다.
도 19는 제1 실시예에 관한 투사 광학계의 조건식 (1)의 대응 개소를 나타낸 도면이다.
도 20은 도 21 내지 도 27과 함께 제3 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 21은 투사 광학계의 확대도이다.
도 22는 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 23은 도 22에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 24는 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 25는 도 26 및 도 27과 함께 리어 프로젝션 텔레비전의 구성예를 광적의 일부와 함께 나타낸 것이며, 본 도면은 스크린의 배면측으로부터 본 개략 사시도이다.
도 26은 개략 측면도이다.
도 27은 투사 광학계를 나타낸 확대 사시도이다.
도 28은 도 29 내지 도 35와 함께 제4 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 29는 투사 광학계의 확대도이다.
도 3O은 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 31은 도 3O에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 32는 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 33은 도 34 및 도 35와 함께 리어 프로젝션 텔레비전의 구성예를 광적의 일부와 함께 나타낸 것이며, 본 도면은 스크린의 배면측으로부터 본 개략 사시도이 다.
도 34는 개략 측면도이다.
도 35는 투사 광학계를 나타낸 확대 사시도이다.
도 36은 도 37 내지 도 40과 함께 제5 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 37은 투사 광학계의 확대도이다.
도 38은 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 39는 도 38에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 40은 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 41은 도 42 내지 도 45와 함께 제6 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 42는 투사 광학계의 확대도이다.
도 43은 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 44는 도 43에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 45는 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 46은 도 47 내지 도 50과 함께 제7 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 47은 투사 광학계의 확대도이다.
도 48은 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 49는 도 48에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 50은 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 51은 도 52 내지 도 55와 함께 제8 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 52는 투사 광학계의 확대도이다.
도 53은 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 54는 도 53에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 55는 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 56은 도 57 내지 도 60과 함께 제9 실시예를 나타낸 것이며, 본 도면은 투사형 화상 표시 장치에 사용한 투사 광학계를 나타낸 개략도이다.
도 57은 투사 광학계의 확대도이다.
도 58은 화상 표시 소자 상의 평가점을 나타낸 도면이다.
도 59는 도 58에 나타낸 각 평가점으로부터 발한 광의 스크린 상에서의 스폿 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 60은 스크린 상의 일그러짐을 나타낸 도면이다.
도 61은 제4 실시예에 관한 투사 광학계의 조건식 (1)의 대응 개소를 나타낸 도면이다.
도 62는 종래의 리어 프로젝션 텔레비전의 일반적인 구조의 개략을 나타낸 도면이다.
도 63은 재공표 특허 WO01/006295호 공보에 나타난 투사 광학계의 개략을 나타낸 도면이다.
도 64는 일본국 특개 2002-40326호 공보에 나타난 투사 광학계의 개략을 나타낸 도면이다.
도 65는 일본국 특개 2001-255462호 공보에 나타난 투사 광학계의 개략을 나타낸 도면이다.
도 66은 일본국 특개 2005-84576호 공보에 나타난 투사 광학계의 개략을 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명의 투사 광학계 및 투사형 화상 표시 장치를 실시하기 위한 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 설명한다(투사 광학계에 대해서는 도 19, 도 21 및 도 61을, 투사형 화상 표시 장치에 대해서는 도 7 및 도 8을 참조).
본 발명의 투사 광학계는 축소 측의 1차 상면으로부터 확대 측의 2차 상면으로 확대 투사하는 투사 광학계로서, 상기 1차 상면의 중간상을 결상시키는 오목 반사면을 가지는 제1 광학계와, 상기 중간상에 의한 상기 2차 상면을 형성하는 제2 광학계를 구비하고, 상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 광축을 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사하고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달한다. 결상 관계를 요약하면, 제1 광학계에 의해 1차 상면의 중간상이 형성되고, 그후 오목 반사면에 의해 수렴광이 되어 눈동자(pupil)를 형성하고 2차 상면으로서 결상하는 구성을 취하고 있다. 상기 제1 광학계에 의한 중간상은 배율이 낮고, 제2 광학계에 의해 확대되어 소정의 배율로 2차 상면으로서 결상한다.
재공표 특허 WO01/006295호 공보에 기재된 광학계와 같이, 볼록 반사면에 상을 확대하는 효과를 갖게 한 경우, 볼록 반사면의 곡률을 작게 하면 광선이 차여 버려, 1개의 볼록 반사면만으로는 확대율을 크게 할 수 없고, 또, 볼록 반사면의 곡률을 크게 하면 수차 보정이 곤란하게 되어, 충분한 광학 성능을 얻을 수 없다. 이것을 피하기 위해, 복수개의 볼록 반사면을 사용하여 파워의 분산을 행하고 개개의 볼록 반사면의 곡률을 작게 하면, 복수개의 볼록 반사면의 배치를 위한 소요 스페이스에 의해 더욱 광학계가 커져 버린다.
그에 대하여, 오목 반사면이면, 곡률을 작게 해도 광선이 차여지기 어렵다. 볼록 반사면과 오목 반사면의 화각을 넓히는 효과는 눈동자 위치의 전후에 따라 상이하며, 다음과 같이 된다.
(A) 눈동자 위치와 결상 위치(2차 상면의 위치) 사이에서는 볼록 반사면이 화각을 넓히는 효과를 가진다.
(B) 결상 위치(중간상의 위치)와 눈동자 위치 사이에서는 오목 반사면이 화각을 넓히는 효과를 가진다.
그러나, 오목 반사면을 사용한 경우라도, 눈동자 위치로부터 2차 상면까지의 사이에 광학면이 많으면, 그들 광학면은 오목 반사면에 의해 넓어진 광선을 수광하지 않으면 안되므로, 그들 광학면에 의한 광학계가 커져 버린다. 그러므로, 오목 반사면은 2차 상면 측에 배치할 필요가 있다. 그러므로, 본 발명의 투사 광학계에 있어서는, 제1 광학계에 의해 중간상을 일단 형성하고, 그 후에 오목 반사면을 배치하고, 다시 2차 상면으로서 결상시키도록 하고 있다. 또, 이 오목 반사면의 직후에 눈동자를 형성하는 구성이 되도록, 오목면 반사경을 적절한 위치에 배치함으로써 오목 반사면이 대형화하는 것을 방지하고 있다.
본 발명의 투사 광학계에 있어서, 제1 광학계 및 제2 광학계를 구성하는 각 면을 공통의 광축을 중심으로 한 회전 대칭면으로 구성하는 것이 바람직하고, 이에 따라, 자유 곡면이나, 오프액셜(off-axial) 면에 의해 구성하는 경우와 비교하여, 각 구성면의 형성이 용이하고, 제조 비용의 저감에 기여하며, 또한 각 구성면의 면 정밀도도 높게 할 수 있으며, 그 결과, 우수한 광학 성능을 내기 용이해진다.
또, 제2 광학계를 한 면의 오목 반사면만에 의해 구성하면, 구성 부품의 수를 적게 하여 공간 절약화, 저비용화가 촉진된다. 그리고, 한층 더 양호한 수차 보정을 목적으로 하여 오목 반사면의 전후에 오목 또는 볼록의 반사면을 삽입하는 것도 가능하다.
제1 광학계에 의해, 중간상이 제2 광학계의 오목 반사면으로부터 1차 상면 측에 결상되도록 함으로써, 오목 반사면의 대형화를 막으면서, 수차 보정이 양호하게 되어 충분한 광학 성능을 가지는 대형의 2차 상면을 형성할 수 있다. 여기에서, 주의하지 않으면 안되는 것은 제1 광학계에서 중간상을 형성할 때 1차 상면으 로부터 중간상까지의 거리가 길어져 버리는 경향이다. 이 거리가 긴 경우, 광학계도 커져 버리므로 제1 광학계로부터 중간상까지의 거리를 억제하는 것이 필요하게 된다. 목표로서 제1 광학계의 길이를 Ls, 상기 제1 광학계로부터 상기 중간상까지의 거리를 Si로 하면 이하의 조건식 (1)을 만족시키고 있는 것이 바람직하다.
(1) Si/Ls<2
상기 조건식 (1)의 좌변이 2 이상이면, 1차 상면으로부터 제2 광학계까지의 거리가 길어져 버려, 도중, 평면 미러로 절곡해도 광학계는 작아지지 않는다.
그리고, 본 발명의 투사 광학계에 있어서는, 오목 반사면과 2차 상면 사이에 눈동자를 구성함으로써 광로의 가이드를 효율적으로 행하고 있다. 이를 위해서는 오목면의 초점 거리 ｜R｜/2가 제1 광학계의 최종면으로부터 상기 오목 반사면까지의 광축에 따른 거리 S12에 대하여, 이하의 조건식 (2)와 같이 작아지지 않으면 안된다.
(2) S12>｜ R｜/2
또, 오목 반사면의 1차 상면 또는 2차 상면에 반사면을 가지는 광학계의 경우에는, 그 오목 반사면으로부터 전후의 반사면까지의 광축에 따른 거리 SR12에 대하여, 이하의 조건식 (3)과 같이 작아지지 않으면 안된다.
(3) SR12>｜R｜/2
본 발명의 투사 광학계를, 2차 상면을 형성하는 스크린의 하측에 배치한 경우, 광축에 가까운 광선은 스크린 상에서 하측에 도달하고, 광축으로부터 멀어지는 데 따라 스크린 상의 상부에 도달한다. 즉, 광축 측의 광선은 결상 위치가 가깝 고, 광축으로부터 멀어지는 데 따라 결상 위치가 멀어진다. 따라서, 스크린 상에 상면의 만곡을 생기게 하지 않고 결상시키기 위해서는, 오목 반사면의 근축 곡률에 대하여, 광축으로부터 멀어지는 데 따라 곡률이 작아지도록 구성할 필요가 있다. 즉, 원추 정수(定數) K≤-1의 영역이 되는 것이 필요하다. 특히, 방물면(放物面)(K=-1), 쌍곡선(K<-1) 부근인 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 투사 광학계에 있어서는, 회전 대칭 비구면(非球面)을 사용하는 것이 효과적이다. 특히, 상면 만곡을 적절히 컨트롤할 수 있다. 이에 따라, 렌즈 개수의 저감, 소(小)F치화(소개구수 가능)도 가능하게 되어, 저비용, 고화질의 투사 광학계를 실현할 수 있다.
그리고, 그 회전 대칭 비구면의 형상은 이하의 수식 1에 의해 정의되는 것으로 한다.
[수식 1]
Z=(h2/r)/{1+√(1-(1+K)h2/r2)}+A4ㆍh4+A6ㆍh6+A8ㆍh8+…
여기에서,
Z: 비구면의 새그(sag)량
h: 광축에 대하여 수직의 높이
r: 근축의 곡률 반경
K: 원추 정수
Ai: i차의 비구면 계수
로 한다.
또, 본 발명의 투사 광학계에 있어서는, 홀수차(次)의 비구면 계수를 포함하는 회전 대칭 비구면을 사용하는 것이 효과적인 경우가 있다. 그 경우의 회전 대칭 비구면의 형상은
이하의 수식 2에 의해 정의되는 것으로 한다.
[수식 2]
Z=(h2/r)/{1+√(1-(1+K)h2/r2)}+A1ㆍh+A2ㆍh2+A3ㆍh3+A4ㆍh4+
A5ㆍh5+A6ㆍh6+A7ㆍh7+A8ㆍh8+A9ㆍh9+…
상기 수식 2에 나타난 바와 같이, 광축으로부터의 거리 h의 홀수차의 항이 존재함으로써, 짝수차의 수차가 발생하기 때문에, 예를 들면, h3의 항을 가지는 경우, 2차의 상면 만곡, 왜곡 수차가 발생한다. 따라서, 오목 반사면에 비구면 계수를 적절히 부여함으로써, 상기 수식 1에 의한 비구면을 가지는 경우보다 왜곡 수차를 적절히 컨트롤할 수 있다.
본 발명의 투사형 화상 표시 장치는 광원과, 상기 광원으로부터 발해진 광을 영상 신호에 따라 변조하여 출력하는 변조 수단과, 상기 변조 수단 측의 1차 상면으로부터 스크린 측의 2차 상면으로 확대 투사하는 투사 광학계를 구비하며, 상기 투사 광학계는 상기 1차 상면의 중간상을 결상하는 제1 광학계와, 상기 중간상에 의한 상기 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면을 가지는 제2 광학계를 구비하며, 상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 제1 광학계의 광축과 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사하고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달하도록 한 것이다.
따라서, 본 발명의 투사형 화상 표시 장치는 상기한 본 발명의 투사 광학계를 사용하여 변조 수단에 의해 형성된 화상을 스크린에 투사하므로, 박형화와 스크린 하방(또는 상방)의 소형화를 달성하면서, 수차 보정이 양호하게 되어 충분한 광학 성능을 가지는 대형의 확대 화상을 표시할 수 있다.
투과형 스크린을 사용하고, 이 스크린이 앞면에 배치된 캐비닛에 광원, 변조 수단 및 투사 광학계를 내장하고, 투사 광학계에 의해 투과형 스크린에 배면으로부터 확대 투사하도록 구성함으로써, 박형의 액정 패널이나 PDP를 사용한 플랫 텔레비전과 동일한 외관을 나타내는 리어 프로젝션 텔레비전을 구성할 수 있다.
투사 광학계를 상기 캐비닛의 하부에 설치하고, 캐비닛의 상부에 배치되어, 상기 투사 광학계로부터 출력된 광을 반사하여 상기 투과형 스크린에 도달하도록 편향하는 평면 미러를 구비하면, 한층 더 박형화가 가능하게 된다.
상기 중간상의 상기 2차 상면에 대한 상기 제2 광학계에 의한 눈동자가, 상기 평면 미러로부터 상기 투과형 스크린 면에 도달하는 광속의 외측에 형성되도록 함으로써, 캐비닛 내에 있어서의 광로의 진행(direct)의 자유도가 증대하는 동시에, 제2 광학계와 2차 상면 사이에서 가장 광속이 좁혀지는 개소인 눈동자 위치에서 개구를 가지는 차폐부를 형성하는 것이 가능하게 되어, 투사 광학계의 방진 대책이나 외광 대책을 채택하기 쉬워진다.
1차 상면의 중심으로부터 2차 상면의 중심에 도달하는 광선은 상기 광축과 수직면 내에서 교차하고, 상기 제1 광학계와 상기 제2 광학계 사이에 상기 광선을 반사하여 수평면 내에서 편향시키는 반사 수단을 구비함으로써, 제1 광학계를 구성하는 광학 부재의 광축을 스크린 면과 평행으로 배치할 수 있어, 안길이 방향의 한층 더 소형화, 즉 박형화가 가능하다.
그런데, 일본국 특개 2005-84576호 공보에 기재되어 있는 투사형 화상 표시 장치(도 66 참조)에서는, 스크린 o에 대하여 최외역(最外域) 광 p가 대략 병행하여 반사하도록 평면 미러 q를 배치하고, 또한 그 평면 미러 q의 반대측(평면 미러 q가 상측에서 있으면 하측)에 투사 광학계 r을 배치함으로써, 안길이를 작게(박형화) 하고, 또한 스크린 o의 하방(또는 상방)을 작게 하고 있다.
그러나, 이 일본국 특개 2005-84576호 공보에 기재되어 있는 투사형 화상 표시 장치는 스크린 o에 대하여 최외역 광선이, 대략 병행하여 반사하도록, 평면 미러 q를 배치하고, 또한 그 평면 미러 q에 대하여 반대측에 투사 광학계 r을 배치함으로써, 안길이를 얇게 하고, 또한 화면 하방(또는 상방)을 작게 하고 있다. 이 투사형 화상 표시 장치의 경우, 화면 하방(또는 상방)을 작게 한 채, 한층 더 박형화를 도모하려고 하는 경우, 최외역 광선 p의 스크린 o에 대한 각도를 어느 정도 크게 할 필요가 있다. 따라서, 일본국 특개 2005-84576호 공보에 나타나 있는 바와 같은 투사 광학계에서는, 곡면 반사면이 많으므로, 광로 절곡의 자유도가 줄어들어, 투사 광학계의 안길이 방향을 작게 할 수 없기 때문에, 더한층의 박형화가 곤란해진다.
본 발명의 투사형 화상 표시 장치에 있어서는, 상기 오목 반사면에서 반사된 후의 광로를 원하는 대로 가이드 하기 위한 적어도 한 면의 평면 반사면을 설치하고, 상기 스크린의 바로 앞에 위치한 평면 반사면으로부터 스크린으로 향하는 광선 중 상기 스크린으로부터 가장 떨어진 위치를 통과하는 최외역 광선과 상기 스크린을 이루는 각도를 θ로 하고,
조건식 (4) 0.6>tanθ>0.05를 만족시킴으로써, 더한층의 박형화가 가능하게 된다.
이하에, 본 발명의 투사 광학계 및 투사형 화상 표시 장치의 실시예 및 수치(數値) 실시예를 도면 및 표를 사용하여 설명한다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전체 시스템의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 2에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제1 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P1은 변조 수단으로서의 화상 표시 소자이며, 상기 화상 표시 소자 P1에 의해 광원(도시하지 않음)으로부터 발해진 광이 영상 신호에 따라 변조되어 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P1로서는, 반사형 또는 투과형의 도트 매트릭스 액정 패널이나 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD) 등을 사용할 수 있다. 또, 도면 중의 PP1은 편광 빔 스플리터(PBS)나 4P 프리즘, TIR(Total Internal Reflector) 프리즘 등을 나타내고 있다. STOP는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P1을 조명하는 조명 광학계가 필요하지만, 도 1, 도 2 및 그 밖의 제1 실시예를 나타낸 도면에서는 조명 광학계를 생략하고 있다. L11은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L12는 오목 반사면 AM1로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L11 및 제2 광학계 L12로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P1에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S1에 도광(導光)하여, 스크린 S1 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 즉, 제1 광학계 L11에 의해 도 2 중 II의 위치에 중간 결상을 한다. 그 후 제2 광학계 L12의 오목 반사면 AM1에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S1 상에 결상한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS1에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 2에서, 제2 광학계 L12의 오목 반사면 AM1 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선으로 나타내고 있다.
표 1에 이 제1 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 1의 데이터를 나타낸다. 그리고, 이하의 각 표에서, 면 번호는 1차 상면(표시 소자 측) 측으로부터 2차 상면(투사 화상면) 측으로 1, 2, 3, … 으로 증대하도록 부여되며, 조리개에는, 면 번호는 부여하고 있지 않다. 또, 곡률 반경의 열에서 「INF」는 해당 면이 평면인 것을 나타내고, 굴절률 및 아베수는 해당 면을 1차 상면 측에 가지는 초재(硝材)의 그것이며, 또한 e선(546.1nm)에서의 수치이다. 또한, 인치 사이즈는 투사 화상면의 대각선 크기를 나타내고, 비구면 계수를 나타낸 「E」는 10을 바닥으로 하는 지수 표현을 의미하고 있다.
[표 1]
Figure 112006043152410-PCT00001
수치(數値) 실시예 1에서는, 화상 표시 소자 P1은, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1920×1080, 크기는 0.61인치이며, 52.7인치로 확대 투영되어 있고, 물체 측의 개구수는 0.204(F 넘버 -2.5에 대응)이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P1 상에서 약 7㎛, 스크린 S1 상에서 약 0.608mm로 된다.
수치 실시예 1의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 4에, 일그러짐을 도 5에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P1 상에서 도 3에 나타낸 (1)로부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고, 각각의 웨이트를 2, 2, 3, 2, 1로 하고 있다. 도 4의 스케일은 스크린 S1 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 4에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 5에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 수치 실시예 1에 관한 투사 광학계를 리어 프로젝션 텔레비전의 캐비닛 CAB1의 내부에 배치하려면 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 광로를 평면 미러 MM11, MM12, MM13에서 되접어 꺾어 컴팩트하게 할 필요가 있다. 도 6 및 도 7은 투사 광학계와 스크린 S1 사이에 평면 미러 MM13, 제1 광학계 L11과 제2 광학계 L12 사이에 평면 미러 MM11, MM12를 배치하여 광로를 잘 절곡한 구성을 나타내고 있다. 평면 미러 MM11, MM12는 1차 상면의 중심으로부터 2차 상면의 중심으로 향하는 광선이 수직면 내에서 광축과 교차하는 경우에, 제1 광학계와 제2 광학계의 상기 오목 반사면 AM1 사이에서 광선을 반사하여 수평면 내로 편향한다. 또, 예를 들면, 투사 광학계를 캐비닛의 하부에 배치한 경우에, 평면 미러 MM13은 캐비닛 CAB1의 상부에 배치되고, 투사 광학계로부터 출력된 광을 반사하여 스크린 S1에 도달하도록 편향한다.
도 7은 측방으로부터 본 도면이며, 도 9에 나타낸 바와 같이, 최외역 광선과 스크린이 이루는 각 θ를 8.4도 정도가 되도록, 적절히 평면 미러 MM13에서 광로를 절곡함으로써 장치의 두께가 200mm 이하의 두께로 되어, 화면 하방 부분도 작게 할 수 있다.
또, 도 8은 도 6 및 도 7 중의 투사 광학계의 부분을 확대하여 나타내고 있다.
이 제1 실시예에 관한 투사형 화상 표시 장치에서는, 평면 미러 MM11, MM12, MM13을 사용하여 광로를 절곡함으로써 장치의 컴팩트화를 달성하고 있지만, 광로를 절곡하는 방법은 상기한 방법에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 제1 광학계 L11 내에 평면 미러를 배치해도 되고, 평면 미러 MM13과 오목 반사면 AM1 사이에 다른 평면 미러를 배치하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
또, 제1 광학계 L11의 중간상을 스크린 S1에 결상시키는 제2 광학계 L12에 의한 눈동자 AP1(즉 광속이 수렴(收斂;converge)하고 있는 부분)이 평면 미러 MM13으로부터 스크린 S1의 전체면에 도달하는 광속의 외측에 형성되어 있다. 이와 같이 투사 광학계를 배치함으로써, 제2 광학계 L12로부터 평면 미러 MM13으로 향하는 광속과 평면 미러 MM13으로부터 스크린 S1의 전체면에 도달하는 광속 사이에 스크린 S1로 향하는 광속을 대략 최소의 개구 TO1에서 통과시키도록 차폐 상자 PB를 설 치할 수 있다. 그리고, 이 차폐 상자 PB1에 의해, 투사되는 영상광을 차단하지 않고 투사 광학계(즉 제1 광학계 L11 및 제2 광학계 L12)를 먼지의 부착으로부터 보호할 수 있다. 또, 차폐 상자 PB1은 스크린 S1로부터 캐비닛 내부로 입사하는 외광을 차폐하고, 그 외광이, 예를 들면, 제2 광학계 L12의 오목 반사면 AM1 등에서 반사하여 미광(迷光)으로 되어, 스크린 S1에 투사된 영상의 콘트라스트를 열화시키는 것을 방지할 수 있다.
(제2 실시예)
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전체 시스템의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 11에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제2 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P2는 변조 수단으로서의 화상 표시 소자이며, 상기 화상 표시 소자 P2에 의해 광원(도시하지 않음)으로부터 발해진 광이 영상 신호에 따라 변조되어 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P2로서는, 반사형 또는 투과형의 도트 매트릭스 액정 패널이나 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD) 등을 사용할 수 있다. 또, 도면 중의 PP2는 편광 빔 스플리터(PBS)나 4P 프리즘, TIR(Total Internal Reflector) 프리즘 등을 나타내고 있다. STOP는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P2를 조명하는 조명 광학계가 필요하지만, 도 10, 도 11 및 그 밖의 제2 실시예를 나타낸 도면에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L21은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L22는 오목 반사면 AM2로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L21 및 제2 광학계 L22로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P2에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S2에 도광하여, 스크린 S2 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 즉, 제1 광학계 L21에 의해 도 10 및 도 11 중 II의 위치에 중간 결상을 한다. 그 후 제2 광학계 L22의 반사면 AM2에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S2 상에 결상한다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS2에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 11에서, 제2 광학계 L22의 반사면 AM2 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 2에 이 제2 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 2의 데이터를 나타낸다.
[표 2]
Figure 112006043152410-PCT00002
화상 표시 소자 P2는, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1920×1080, 크기는 0.61인치이며, 67.9인치로 확대 투영되어 있고, 물체 측의 개구수는 0.204(F 넘버 2.5에 대응)이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P2 상에서 약 7㎛, 스크린 S2 상에서 약 0.783mm로 된다.
수치 실시예 2의 스폿 다이어그램을 도 13에, 일그러짐을 도 14에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P2 상에서 도 12에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고, 각각의 웨이트와 2, 2, 3, 2, 1로 하고 있다. 도 13의 스케일은 스크린 S2 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 13에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 14에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 수치 실시예 2에 관한 투사 광학계를 리어 프로젝션 텔레비전의 캐비닛 CAB2의 내부에 배치하려면 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 광로를 평면 미러 MM21, MM22, MM23에서 되접어 꺾어 컴팩트하게 할 필요가 있다. 도 15 및 도 16은 투사 광학계와 스크린 S2 사이에 평면 미러 MM23, 제1 광학계 L21과 제2 광학계 L22 사이에 평면 미러 MM21, MM22를 배치하여 광로를 잘 절곡한 구성을 나타내고 있다.
도 16은 측방으로부터 본 도면이며, 도 18과 같이, 최외역 광선과 스크린이 이루는 각 θ를 9.8도 정도가 되도록, 적절히 평면 미러 MM23에서 광로를 절곡함으로써 장치의 두께가 250mm 이하의 두께로 되어, 화면 하방 부분도 작게 할 수 있다. 그리고, 이 최외역 광선과 스크린이 이루는 각 θ는 2.9도에서 31.0도의 범위, 즉 tan θ가 0.05에서 0.6의 범위인 것이 매우 적합하다.
또, 도 17은 도 15 및 도 16 중의 투사 광학계의 부분을 확대하여 나타내고 있다.
이 제2 실시예에 관한 투사형 화상 표시 장치에서는, 평면 미러 MM21, MM22, MM23을 사용하여 광로를 절곡함으로써 장치의 컴팩트화를 달성하고 있지만, 광로를 절곡하는 방법은 상기한 방법에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 제1 광학계 L21 내에 평면 미러를 배치해도 되고, 평면 미러 MM23과 오목 반사면 AM2 사이에 다른 평면 미러를 배치하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
그리고, 이 제2 실시예에서도, 제2 광학계 L22에 의한 눈동자의 위치가 평면 미러 MM23으로부터 스크린 S2로 향하는 광속의 최외역 광선의 외측에 위치하고, 투사 광학계로부터 평면 미러 MM23으로 향하는 광속과 평면 미러 MM23으로부터 스크린 S2로 향하는 광속이 서로 간섭하는 일이 없고, 또한 상기 눈동자의 위치에서 광속이 좁혀져 있으므로, 상기 제1 실시예에서 설명한 바와 같은 차폐 수단을 채용할 수 있는 것은 물론이다.
표 3에 상기 수치 실시예 1 및 수치 실시예 2의 조건식 (1), (2) 대응값을 나타낸다.
[표 3]
Figure 112006043152410-PCT00003
상기 각 수치 실시예 1, 2 모두 조건식 (1), (2)를 만족시키고 있는 것을 알 수 있다.
도 19는 상기 실시예 1에 있어서의 제1 광학계 L11의 중간상 위치를 나타내고 있다. 도면 중 Si1, Si2, Si3은 스크린 상에서 최하부, 중앙, 최상부 화각의 중간상 위치로부터 제1 광학계 L11까지의 거리를 나타내고 있다. 도 3에서 말하면 (1), (7), (13)의 각 포인트로 된다. 각각, Si1≒185mm, Si2≒102mm, Si3≒38mm이다. 제1 광학계 L11의 길이 Ls는 21Omm이므로 조건식 (1)을 만족시키고 있다. 그리고, 상기 수치 실시예 1, 2 모두 이 조건식 (2)를 만족시키고 있다(표 3 참조).
(제3 실시예)
도 20은 본 발명의 제3 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전계의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 21에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제3 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P3은 변조 수단으로서의 화상 표시 소자이며, 상기 화상 표시 소자 P3에 의해 도시하지 않은 광원으로부터 발해진 광이 영상 신호에 따라 변조되어 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P3으로서는, 반사형 또는 투과형의 도트 매트릭스 액정 패널이나 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD) 등을 사용할 수 있다. 또, 도면 중의 PP3은 편광 빔 스플리터(PBS)나 다이크로익 프리즘, TIR(Toal Internal Reflector) 프리즘 등을 나타내고 있다. STOP는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P3을 조명하는 조명 광학계가 필요하지만, 도 20, 도 21 및 그 밖의 제3 실시예를 나타낸 도 면에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L31은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L32는 반사면 R31, R32로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 경우, 화상 표시 소자 P3으로부터의 광선의 경로 순서로 R31이 1차 상면 측의 볼록 반사면, R32가 오목 반사면이다. 이 제1 광학계 L31 및 제2 광학계 L32로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P3에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S3에 도광하여, 스크린 S3 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 즉, 제1 광학계 L31에 의해 도 20 및 도 21 중 II의 위치에 중간 결상을 한다. 그 후 제2 광학계 L32의 반사면 R31, R32에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S3 상에 결상한다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS3에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 21에서, 제2 광학계 L32의 반사면 R31, R32 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 4에 이 제3 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 3의 데이터를 나타낸다.
[표 4]
Figure 112006043152410-PCT00004
수치 실시예 3에서는, 화상 표시 소자 P3은, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1920×1080, 크기는 0.61인치이며, 73.1인치로 확대 투영되어 있고, F 넘버는 3이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P3 상에서 약 7㎛, 스크린 S3 상에서 약 0.845mm로 된다.
수치 실시예 3의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 23에, 일그러짐을 도 24에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P3 상에서 도 22에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 587.56nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고 있다. 도 23의 스케일은 스크린 S3 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 23에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 24에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 수치 실시예 3에 관한 투사 광학계를 리어 프로젝션 텔레비전의 캐비닛 내부에 배치하려면 도 25 및 도 26에 나타낸 바와 같이, 광로를 평면 미러 M31, M32로 되접어 꺾어 컴팩트하게 할 필요가 있다. 도 25 및 도 26은 투사 광학계와 스크린 S3 사이에 평면 미러 M32를, 제1 광학계 L31과 제2 광학계 L32 사이에 평면 미러 M31을 배치하여 광로를 잘 절곡한 구성을 나타내고 있다. 평면 미러 M31은 1차 상면의 중심으로부터 2차 상면의 중심으로 향하는 광선이 수직면 내에서 광축과 교차하는 경우에, 제1 광학계와 제2 광학계의 상기 오목 반사면 사이에서 광선을 반사하여 수평면 내로 편향한다. 또, 예를 들면, 투사 광학계를 캐비닛의 하부에 배치한 경우에, 평면 미러 M32는 캐비닛의 상부에 배치되고, 투사 광학계로부터 출 력된 광을 반사하여 스크린 S3에 도달하도록 편향한다.
또, 도 27은 도 25 및 도 26 중의 투사 광학계의 부분을 확대하여 나타내고 있다.
이 제3 실시예에 관한 투사형 화상 표시 장치에서는, 평면 미러 M31, M32를 사용하여 광로를 절곡함으로써 장치의 컴팩트화를 달성하고 있지만, 광로를 절곡하는 방법은 상기한 방법에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 제1 광학계 L31 내에 평면 미러를 배치해도 되고, 평면 미러 M32와 오목 반사면 R32 사이에 다른 평면 미러를 배치하는 구성으로 해도 된다.
도 26은 측방으로부터 본 도면이며, 이와 같이 평면 미러 M31, M32에서 광로를 절곡함으로써, 아스펙트비 16:9인 73.1인치의 스크린 사이즈에 있어서, 광학계만으로 규정한 장치의 두께(안길이) Dx가 250mm 이하로 되고, 스크린 하단으로부터 제2 광학계 L32의 최하부까지의 높이 방향의 치수 Hx도 50mm 이하로 되어, 화면 하방 부분도 작게 할 수 있다. 또한, 각종 스크린 사이즈에 있어서의 장치의 두께와 전술한 화면 하방 부분의 치수를 검토한 결과, 아스펙트비 16:9인 46인치에서 73인치의 스크린 사이즈에 있어서, 광학계만으로 규정한 장치의 두께를 250mm 이하, 스크린 하단으로부터 제2 광학계 L32의 최하부까지의 높이 방향 치수를 50mm 이하로 구성할 수 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 미러나 캐비닛 등 실제의 기구 부품에 의해 이 광학계를 가지는 장치를 구성한 경우에도, 그 실제의 두께가 30Omm 이하이며, 그리고, 화면 하방 부분(스크린 하단으로부터 투사 광학계의 최하부까지의 높이 방향 치수)이 1OOmm 이하인 외형 치수의 장치를 실현할 수 있다.
그리고, 제1 광학계 L31의 중간상을 스크린 S3에 결상시키는 제2 광학계 L32에 의한 눈동자(즉 광속이 수렴하고 있는 부분)가 평면 미러 M32로부터 스크린 S3 전체면에 도달하는 광속의 외측에 형성되어 있다. 이와 같이 투사 광학계를 배치함으로써, 제2 광학계 L32로부터 평면 미러 M32로 향하는 광속과 평면 미러 M32로부터 스크린 S3의 전체면에 도달하는 광속 사이에 스크린 S3으로 향하는 광속을 대략 최소의 개구에서 통과시키도록 투광용 개구를 형성한 차폐 상자 등의 차폐 부재(도시하지 않음. 도 7 참조)를 설치할 수 있다. 그리고, 차폐 부재에 의해, 투사되는 영상 광을 차단하지 않고 투사 광학계(즉 제1 광학계 L31 및 제2 광학계 L32)를 먼지의 부착으로부터 보호할 수 있다. 또, 차폐 부재는 스크린 S3으로부터 캐비닛 내부로 입사하는 외광을 차폐하고, 그 외광이, 예를 들면, 제2 광학계의 오목 반사면 등에서 반사하여 미광이 되어, 스크린 S3에 투사된 영상의 콘트라스트를 열화시키는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 상기한 차폐 부재에 의한 차폐 효과는 다음의 제4 실시예에서 도 동일하게 나타낼 수 있다. 또, 제5 실시예 내지 제9 실시예에 관한 투사 광학계를 사용하여 구성하는 투사형 화상 표시 장치에서도 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
(제4 실시예)
도 28은 본 발명의 제4 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전계의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 29에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제4 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P4는 화상 표시 소자이며, 이 화상 표시 소자 P4에 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P4로서는, 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD)를 사용할 수 있다. STOP는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P4를 조명하는 조명 광학계가 필요하지만, 도 28, 도 29 및 그 밖의 제4 실시예를 나타낸 도면에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L41은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L42는 반사면 R41, R42로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L41 및 제2 광학계 L42로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P4에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S4에 도광하여, 스크린 S4 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 도 28 및 도 29 중 II의 위치에 제1 광학계 L41에 의해 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 R41, R42에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S4 상에 결상한다. 도 29에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS4에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 29에서, 제2 광학계 L42의 반사면 R41, R42 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 5에 이 제4 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 4의 데이터를 나타낸다.
[표 5]
Figure 112006043152410-PCT00005
화상 표시 소자 P4로서는, DMD가 사용되고 있으며, 아스펙트비 16:9, 화소수는 1280×768, 크기는 0.7인치이며, 스크린 S4 상에 50인치로 확대 투영되어 있고, F 넘버는 3이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P4 상에서 약 12㎛, 스크린 상에서 약 0.86mm로 된다. 화상 표시 소자 P4와 투사 광학계 사이에 조리개 STOP를 가 지고 있으며, 화상 표시 소자 P4에서 반사한 ON의 광은 조리개 STOP를 통과하고 투사 광학계를 거쳐 스크린 S4에 도달하지만, OFF의 광은 조리개 STOP에 의해 차단된다. 조리개 STOP를 통과한 ON의 광은 굴절 광학계 L41에 의해 도 28, 10 중 II의 위치에 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 R41, R42에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 상에 결상한다.
수치 실시예 4의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 31에, 일그러짐을 도 32에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P4 상에서 도 30에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 587.56nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고 있다. 도 31의 스케일은 스크린 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 31에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 32에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 취해지고 있다.
이 수치 실시예 4에 관한 투사 광학계를 리어 프로젝션 텔레비전의 캐비닛 내부에 배치하려면 도 33 및 도 34에 나타낸 바와 같이, 평면 미러 M41, M42에서 광로를 되접어 꺾어 컴팩트하게 할 필요가 있다. 도 33 및 도 34는 투사 광학계와 스크린 S4 사이에 평면 미러 M42, 제1 광학계 L41과 제2 광학계 L42 사이에 평면 미러 M41을 배치하여 광로를 잘 절곡한 구성을 나타내고 있다. 도 34는 측방으로부터 본 도면이며, 이와 같이 평면 미러 M41, M42에서 광로를 절곡함으로써 장치의 두께가 250mm 이하의 두께로 되어, 화면 하방 부분도 작게 할 수 있다. 또, 도 35는 도 33 및 도 34 중의 투사 광학계 부분을 확대하여 나타내고 있다. 이 제4 실 시예에 관한 투사형 화상 표시 장치에서는, 평면 미러 M41, M42를 사용하여 광로를 절곡함으로써 장치의 컴팩트화를 달성하고 있지만, 광로를 절곡하는 방법은 상기한 방법에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 제1 광학계 L41 내에 평면 미러를 배치해도 되고, 평면 미러 M42와 오목 반사면 R42 사이에 다른 평면 미러를 배치하는 구성으로 해도 된다.
(제5 실시예)
도 36은 본 발명의 제5 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전계의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 37에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제5 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P5는 화상 표시 소자이며, 이 화상 표시 소자 P5에 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P5로서는, 반사형의 도트 매트릭스 액정 패널이나 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD) 등을 사용할 수 있다. 또, 도면 중의 PP5는 편광 빔 스플리터(PBS)나 다이크로익 프리즘, TIR(Total Internal Reflector) 프리즘 등을 나타내고 있다. ST0P는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P5를 조명하는 조명 광학계가 필요하지만 도 36 및 도 37에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L51은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L52는 반사면 R51, R52로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L51 및 제2 광학계 L52로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P5에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S5에 도광하여, 스크린 S5 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 도 36 및 도 37 중 II의 위치에 제1 광학계 L51에 의해 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 R51, R52에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S5 상에 결상한다. 도 37에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS5에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 37에서, 제2 광학계 L52의 반사면 R51, R52 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 6에 이 제5 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 5의 데이터를 나타낸다.
[표 6]
Figure 112006043152410-PCT00006
수치 실시예 5에서는, 화상 표시 소자 P5는, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1920×1080, 크기는 0.61인치이며, 55.8인치로 확대 투영되어 있고, F 넘버는 3.0이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P5 상에서 약 7㎛, 스크린 S5 상에서 약 0.645mm로 된다.
수치 실시예 5의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 39에, 일그러짐을 도 40에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P5 상에서 도 38에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 587.56nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고 있다. 도 39의 스케일은 스크린 S5 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 39에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 40에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 제5 실시예에 관한 투사 광학계를 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)에 적용하는 경우, 상기한 제1 및 제4 실시예에서와 동일하게, 평면 미러를 적절한 위치에 배치함으로써 투사 광학계를 얇게 하는 것이 가능하다.
(제6 실시예)
도 41은 본 발명의 제6 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전계의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 42에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제6 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P6은 화상 표시 소자이며, 상기 화상 표시 소자 P6에 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P6으로서는, 반사 형의 도트 매트릭스 액정 패널이나 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD) 등을 사용할 수 있다. 또, 도면 중의 PP6은 편광 빔 스플리터(PBS)나 다이크로익 프리즘, TIR(Total Internal Reflector) 프리즘 등을 나타내고 있다. STOP는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P6을 조명하는 조명 광학계가 필요하지만 도 41 및 도 42에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L61은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L62는 반사면 RR61, RR62로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L61 및 제2 광학계 L62로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P6에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S6에 도광하여, 스크린 S6 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 도 41 및 도 42 중 II의 위치에 제1 광학계 L61에 의해 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 RR61, RR62에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S6 상에 결상한다. 이 경우, 화상 표시 소자 P6으로부터의 광선의 경로 순으로 RR61이 오목 반사면, RR62가 2차 상면 측의 볼록 반사면이다. 도 42에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS6에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 42에서, 제2 광학계 L62의 반사면 RR61, RR62 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 7에 이 제6 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 6의 데이터를 나타낸다.
[표 7]
Figure 112006043152410-PCT00007
수치 실시예 6에서는, 화상 표시 소자 P6은 반사형 도트 매트릭스 액정 등의 액정 소자이며, 텔레센트릭(telecentric)으로 되어 있다. 또, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1920×1080, 크기는 O.61인치이며, 50인치로 확대 투영되어 있고, F 넘버는 3.0이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P6 상에서 약 7㎛, 스크린 S6 상에서 약 0.58mm로 된다.
수치 실시예 6의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 44에, 일그러짐을 도 45에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P6 상에서 도 43에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 587.56nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고 있다. 도 44의 스케일은 스크린 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 44에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 45에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 제6 실시예에 관한 투사 광학계를 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)에 적용하는 경우, 상기한 제1 및 제4 실시예에서와 동일하게, 평면 미러를 적절한 위치에 배치함으로써 투사 광학계를 얇게 할 수 있다.
(제7 실시예)
도 46은 본 발명의 제7 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전계의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 47에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제7 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P7은 화상 표시 소자이며, 상기 화상 표시 소자 P7에 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P7로서는, 반사형의 도트 매트릭스 액정 패널이나 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD) 등을 사용할 수 있다. 또, 도면 중의 PP7은 편광 빔 스플리터(PBS)나 다이크로익 프리즘, TIR(Total Internal Reflector) 프리즘 등을 나타내고 있다. STOP는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P7을 조명하는 조명 광학계가 필요하지만 도 46 및 도 47에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L71은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L72는 반사면 R71, R72로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L71 및 제2 광학계 L72로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P7에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S7에 도광하여, 스크린 S7 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 도 46 및 도 47 중 II의 위치에 제1 광학계 L71에 의해 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 R71, R72에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S7 상에 결상한다. 도 47에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS7에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 47에서, 제2 광학계 L72의 반사면 R71, R72 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 8에 이 제7 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 7의 데이터를 나타낸다.
[표 8]
Figure 112006043152410-PCT00008
이 수치 실시예 7에서는, 제30 면, 즉 오목 반사면 R72에는 홀수차의 비구면 계수가 포함되어 있고, 따라서, 제30 면의 형상은 상기한 수식 2에 의해 표현된다.
수치 실시예 7에서는, 화상 표시 소자 P7은, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1920×1080, 크기는 0.61인치이며, 52.5인치로 확대 투영되어 있고, F 넘버는 3.0이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 상에서 약 7㎛, 스크린 S7 상에서 약 0.605mm로 된다.
수치 실시예 7의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 49에, 일그러짐을 도 50에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P7 상에서 도 48에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 587.56nm, 546.07nm 460.0nm, 435.84nm로 하고 있다. 도 49의 스케일은 스크린 S7 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 49에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 50에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 제7 실시예에 관한 투사 광학계를 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)에 적용하는 경우, 상기한 제1 및 제4 실시예에서와 동일하게, 평면 미러를 적절한 위치에 배치함으로써 투사 광학계를 얇게 하는 것이 가능하다.
(제8 실시예)
도 51은 본 발명의 제8 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전계의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 52에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제8 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P8은 화상 표시 소자이며, 이 화상 표시 소자 P8에 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P8로서는, 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD)를 사용할 수 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P8을 조명하는 조명 광학계가 필요하지만 도 51 및 도 52에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L81은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L82는 반사면 RR81, RR82로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L81 및 제2 광학계 L82로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P8에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S8에 도광하여, 스크린 S8 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 도 51 및 도 52 중 II의 위치에 제1 광학계 L81에 의해 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 RR81, RR82에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S8 상에 결상한다. 도 52에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS8에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 52에서, 제2 광학계 L82의 반사면 RR81, RR82 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 9에 이 제8 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실시예 8의 데이터를 나타낸다.
[표 9]
Figure 112006043152410-PCT00009
수치 실시예 8에서는, 화상 표시 소자 P8은 DMD이며, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1280×768, 크기는 0.7인치이며, 55.8인치로 확대 투영되어 있고, F 넘버는 3이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P8 상에서 약 12㎛, 스크린 S8 상에서 약 0.86mm로 된다. 화상 표시 소자 P8과 투사 광학계 사이에 조리개 STOP를 가지고 있으며, 화상 표시 소자 P8에서 반사한 ON의 광은 조리개 STOP를 통과하고 투사 광학계를 거쳐 스크린 S8에 도달하지만, OFF의 광은 조리개 STOP에 의해 차단된다. 조리개 STOP를 통과한 ON의 광은 굴절 광학계 L81에 의해 도 51 및 도 52 중 II의 위치에 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 RR81에서 반사되어 눈동자의 상을 형성하고, 또한 반사면 RR82에서 반사하여 스크린 S8 상에 결상한다.
수치 실시예 8의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 54에, 일그러짐을 도 55에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 상에서 도 53에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 587.56nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고 있다. 도 54의 스케일은 스크린 S8 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 54에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 55에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 제8 실시예에 관한 투사 광학계를 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)에 적용하는 경우, 상기한 제1 내지 제4 실시예에서와 동일하게, 평면 미러를 적절한 위치에 배치함으로써 투사 광학계를 얇게 하는 것이 가능하다.
(제9 실시예)
도 56은 본 발명의 제9 실시예에 관한 투사 광학계를 사용한 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)의 광학 전계의 개략을 나타낸 도면이다. 또, 도 57에는, 투사 광학계를 확대하여 나타내고 있다.
이 제9 실시예를 나타낸 도면에 있어서, P9는 화상 표시 소자이며, 이 화상 표시 소자 P9에 1차 상면이 형성된다. 상기 화상 표시 소자 P9로서는, 반사형의 도트 매트릭스 액정 패널이나 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD) 등을 사용할 수 있다. 또, 도면 중의 PP9는 편광 빔 스플리터(PBS)나 다이크로익 프리즘, TIR(Total Internal Reflector) 프리즘 등을 나타내고 있다. STOP는 조리개를 나타내고 있다. 그리고, 프로젝터에는 화상 표시 소자 P9를 조명하는 조명 광학계가 필요하지만 도 56 및 도 57에서는 조명 광학계를 생략하고 있다.
L91은 굴절 광학 소자로 이루어지는 제1 광학계, L92는 반사면 AM9로 이루어지는 제2 광학계이다. 이 제1 광학계 L91 및 제2 광학계 L92로 이루어지는 투사 광학계에 의해, 화상 표시 소자 P9에 의해 화상 변조된 광(1차 상면)을 스크린 S9에 도광하여, 스크린 S9 상에 화상(2차 상면)을 형성한다. 도 56 및 도 57 중 II의 위치에 제1 광학계 L91에 의해 중간 결상을 한다. 그 후 반사면 AM9에서 반사된 후, 눈동자의 상을 형성하여 스크린 S9 상에 결상한다. 도 57에 나타낸 바와 같이, 이 투사 광학계 각각의 광학면은 광축 AXIS9에 대하여 회전 대칭의 형상을 가지고 있다. 그리고, 도 57에서, 제2 광학계 L92의 반사면 AM9 중 사용하지 않는 부분, 따라서, 제거되어 있는 부분을 파선에 의해 나타내고 있다.
표 10에 이 제9 실시예에 관한 투사 광학계에 구체적 수치를 적용한 수치 실 시예 9의 데이터를 나타낸다.
[표 10]
Figure 112006043152410-PCT00010
수치 실시예 9에서는, 화상 표시 소자 P9는 반사형 도트 매트릭스 액정 등의 액정 소자이며, 텔레센트릭으로 되어 있다. 또, 아스펙트비는 16:9, 화소수는 1920×1080, 크기는 O.61인치이며, 62.6인치로 확대 투영되어 있고, F 넘버는 3.0이다. 화소 사이즈는 화상 표시 소자 P9 상에서 약 7㎛, 스크린 상에서 약 0.725mm로 된다.
수치 실시예 9의 투사 광학계의 스폿 다이어그램을 도 59에, 일그러짐을 도 60에 나타낸다. 스폿 다이어그램에 나타내고 있는 (1)부터 (15)의 화각은 화상 표시 소자 P9 상에서 도 58에 나타낸 (1)부터 (15)의 각 위치로부터 발하고 있다. 또, 참조 파장은 656.28nm, 620.0nm, 587.56nm, 546.07nm, 460.0nm, 435.84nm로 하고 있다. 도 59의 스케일은 스크린 S9 상에서의 1화소의 2배 길이이다. 도 59에 나타낸 대로 충분한 결상 성능이 얻어지고 있다. 또, 도 60에 나타낸 대로 두드러진 화상의 왜곡은 보이지 않아 충분한 성능이 얻어지고 있다.
이 제9 실시예에 관한 투사 광학계를 프로젝터(투사형 화상 표시 장치)에 적용하는 경우, 상기한 제1 및 제4 실시예에서와 동일하게, 평면 미러를 적절한 위치에 배치함으로써 투사 광학계를 얇게 할 수 있다.
상기한 각 수치 실시예 3 내지 9의 상기 조건식 (1), (2), (3)의 관련 데이터 및 대응 데이터를 표 11에 나타낸다.
[표 11]
Figure 112006043152410-PCT00011
상기 각 수치 실시예 3 내지 9 모두 조건식 (1), (2), (3)을 만족시키고 있는 것을 알 수 있다.
도 61은 상기 수치 실시예 4에 있어서의 제1 광학계 L41의 중간상 위치를 나타내고 있다. 도면 중 Si1, Si2, Si3은 스크린 상에서 최하부, 중앙, 최상부 화각의 중간상 위치로부터 제1 광학계 L41까지의 거리를 나타내고 있다. 도 22에서 말하면 (1), (7), (13)의 각 포인트로 된다. 각각, Si1≒183mm, Si2≒112mm, Si3≒50mm이다. 제1 광학계 L41의 길이 Ls는 131.25mm이므로 조건식 (1)을 만족시키고 있다. 그리고, 상기 수치 실시예 3 내지 9 모두 이 조건식 (1)을 만족시키고 있으며, 또한 조건식 (2), (3)도 만족시키고 있다(표 11 참조).
이상의 특징이나 효과를 적절히 사용함으로써, 왜곡을 양호하게 보정하면서도, 결상 성능이 우수한 투사 광학계를 적은 반사면 수로 컴팩트하게 구성할 수 있다.
그리고, 상기한 실시예에서는, 투과형 스크린에 투영하는 투사형 화상 표시 장치에 대하여 설명했지만, 본 발명의 투사형 화상 표시 장치는 반사형 스크린에 투영하는 장치로서 적용할 수 있는 것은 물론이다.
또, 상기한 실시예에서는, 제1 광학계 및 제2 광학계를 구성하는 각 면은 공통의 광축을 중심으로 한 회전 대칭면인 경우에 대하여 설명했지만, 회전 대칭면이 아닌 구성의 경우에 대해서도 본 발명은 적용할 수 있다.
또, 상기한 실시예 및 수치 실시예에 나타낸 각 부의 구체적 형상 및 수치는 본 발명을 실시하는 데 있어서 행하는 구체화의 그저 일례를 나타낸 것에 불과하 며, 이들에 따라, 본 발명의 기술적 범위가 한정적으로 해석되는 일이 있어서는 안되는 것이다.
안길이 및 높이 방향 어느 쪽의 치수도 작고, 또한 확대율이 큰 투사 광학계를 제공할 수 있어, 특히, 대형의 리어 프로젝션 텔레비전에 적용하기에 매우 적합하다. 그 밖에, 좁은 방 등의 한정된 공간 내에서의 반사형 스크린 등으로의 확대 투사에 매우 적합하다.

Claims (20)

  1. 축소 측의 1차 상면(像面)으로부터 확대 측의 2차 상면으로 확대 투사(投射)하는 투사 광학계로서,
    상기 1차 상면의 중간상(中間像)을 결상(結像)하는 제1 광학계와,
    상기 중간상에 의한 상기 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면을 가지는 제2 광학계
    를 구비하고,
    상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 제1 광학계의 광축과 교차(交差)하고, 상기 오목 반사면에서 반사되고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달하도록 구성되어 있는 투사 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학계 및 제2 광학계를 구성하는 각 면은 공통의 광축을 중심으로 한 회전 대칭면으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 광학계는 상기 오목 반사면으로만 구성되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 광학계는 상기 오목 반사면의 확대 측 또는 축소 측에 볼록 반사면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 광학계에 의해, 상기 중간상이 상기 제2 광학계의 상기 오목 반사면으로부터 상기 1차 상면 측에 결상되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 광학계의 광 입사면으로부터 광 출사면까지의 상기 광축에 따른 길이를 Ls, 상기 제1 광학계의 광 입사면으로부터 상기 중간상까지의 상기 광축에 따른 거리를 Si로 하는 경우, 이하의 조건식 (1)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
    (1) Si/Ls<2
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 광학계로부터 상기 오목 반사면까지의 상기 광축 상의 거리를 S12, 상기 오목 반사면의 근축(近軸) 곡률 반경을 R로 하는 경우, 이하의 조건식 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
    (2) S12>｜R｜/2
  8. 제4항에 있어서,
    상기 볼록 반사면으로부터 상기 오목 반사면까지의 상기 광축에 따른 거리를 SR12로 하는 경우, 이하의 조건식 (3)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
    (3) SR12>｜R｜/2
  9. 제2항에 있어서,
    상기 오목 반사면은 상기 광축에 대하여 회전 대칭 비구면(非球面)인 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회전 대칭 비구면의 형상을 나타내는 함수는 홀수차(次) 비구면 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 오목 반사면은 근축 곡면에 대하여 상기 광축으로부터 멀어짐에 따라 곡률이 작은 형상인 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 볼록 반사면 중 적어도 한 면이 회전 대칭 비구면으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  13. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광학계의 한 면 이상이 회전 대칭 비구면으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
  14. 광원과,
    상기 광원으로부터 발해진 광을 영상 신호에 따라 변조하여 출력하는 변조 수단과,
    상기 변조 수단 측의 1차 상면(像面)으로부터 스크린 측의 2차 상면으로 확대 투사하는 투사 광학계
    를 구비하고,
    상기 투사 광학계는,
    상기 1차 상면의 중간상을 결상하는 제1 광학계와,
    상기 중간상에 의한 상기 2차 상면을 형성시키는 오목 반사면을 가지는 제2 광학계를 구비하며,
    상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선이 상기 제1 광학계의 광축과 교차하고, 또한 상기 오목 반사면에서 반사되고, 다시 상기 광축과 교차하여 상기 2차 상면에 도달하도록 구성되어 있는 투사형 화상 표시 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 광학계 및 제2 광학계는 공통의 광축을 중심으로 한 회전 대칭면으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 화상 표시 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 스크린은 투과형 스크린이며,
    상기 스크린이 앞면에 배치된 캐비닛에, 상기 광원, 상기 변조 수단 및 상기 투사 광학계를 내장하고,
    상기 투사 광학계에 의해 상기 투과형 스크린에 배면으로부터 확대 투사하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상 표시 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 투사 광학계는 상기 캐비닛의 하부에 설치되고,
    상기 캐비닛의 상부에 배치되고, 상기 투사 광학계로부터 출력된 광을 반사하여 상기 투과형 스크린에 도달하도록 편향(偏向)시키는 평면 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상 표시 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 중간상의 상기 2차 상면에 대한 상기 제2 광학계에 의한 눈동ㅇpupil), 는 상기 평면 미러로부터 상기 투과형 스크린 면에 도달하는 광속(光束)의 외측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 화상 표시 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 1차 상면의 중심으로부터 상기 2차 상면의 중심에 도달하는 광선은 상기 광축과 수직면 내에서 교차하고,
    상기 제1 광학계와 상기 제2 광학계 사이에 상기 광선을 반사하여 수평면 내에서 편향시키는 반사 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 화상 표시 장치.
  20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목 반사면에서 반사된 후의 광로를 원하는 대로 가이드 위한 적어도 한 면의 평면으로 된 반사면을 가지며,
    상기 스크린의 바로 앞에 위치한 평면으로 된 반사면으로부터 스크린으로 향하는 광선 중 상기 스크린으로부터 가장 떨어진 위치를 통과하는 최외역(最外域) 광선과 상기 스크린이 이루는 각도를 θ로 하는 경우, 이하의 조건식 (4)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 투사형 화상 표시 장치.
    (4) 0.6>tanθ>0.05
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