JP4835767B2 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、拡大画像をスクリーンに投影して画像表示を行う投写型カラー映像表示装置、該拡大画像をスクリーン背面から投影する背面投写型カラー映像表示装置、及びこれらに用いられる投写光学ユニットに関する。

映像表示素子の映像を投写光学ユニットによってスクリーン上に拡大投影するカラー映像表示装置においては、スクリーン上で充分な大きさの拡大映像を得つつ投写距離を短縮することが要求される。これを実現するために、例えば下記特許文献１〜３に記載されているように、スクリーンに対して斜め方向から拡大投写する構成の投写光学ユニットが知られている。

特開平５−１３４２１３号公報 特開２０００−１６２５４４号公報 特開２００２−３５７７６８号公報

映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、投写映像に所謂台形歪みが生じる。これを解消するために、上記特許文献１に記載の投写光学ユニットでは、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抑える構成としている。特許文献１に開示されたアフォーカルコンバータは、倍率が低いため広角化が困難である。また上記特許文献２に記載の投写光学ユニットにおいては、背面投写型カラー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る。また、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に記載の投写光学ユニットは、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とを有し、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。

さらに、上記従来技術においては投写光学ユニットのみに着目し設計がなされており照明光学系を含めたシステム全体での最適設計がなされていなかった。

映像表示素子として透過型液晶パネルを用いた従来のカラー映像表示装置に使用される投写光学ユニットの課題として、前述したように、セットのコンパクト化に必要な広画角化の他に、パネルの高解像度化に対応したハイフォーカス化、及びパネルやカラー映像表示装置のダウンサイジング化に対応した高倍率化、が挙げられる。

一方、映像表示素子として反射型液晶パネルを用いた場合には、画素電極を液晶層の裏面に配置できるので高開口率が実現できる。このため、透過型液晶パネルに対して以下の特徴がある。
（１）同一解像度の場合にはパネルサイズを一回り小さくできる。
（２）同一パネルサイズの場合にはより多くの画素数が得られる(高解像度化)。

このため、反射型液晶パネルを用いたカラー映像表示装置に使用される投写レンズ装置は、透過型液晶パネルを用いたものに対し、更なるハイフォーカス化、及び高倍率化が望まれる。さらに、反射型液晶パネルを使用した画像投影装置の光学系では、映像表示素子と投写レンズ装置の間には色合成プリズムの他に大きな空気間隔が存在するため、より一層長いバックフォーカスが必要となる。

また、以上述べた投写型カラー映像表示装置においては、使用するパネルの有効画面寸法に合わせて新規に投写光学ユニットを設計開発するため多額な開発投資を必要としていた。

このように、背面投写型カラー映像表示装置においては、寸法のコンパクト化を実現すべく、広画角でかつハイフォーカス、更に高倍率でバックフォーカスが長い投写光学ユニットが必要となる。また、有効画面寸法や方式が異なるパネルを使用した場合でも、新規に照明光学系の全てや投写光学ユニットを設計開発することなく、標準品の一部変更で対応可能にして開発投資の少なくすることが望ましい。

本発明は、このような課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、セットのコンパクト化を実現可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、映像表示素子からスクリーンまでの光路の間に、第１の拡大像を形成するための正の屈折力を持つ第１投写光学ユニットと、該第１のレンズ群のスクリーン側に位置し前記第１投写光学ユニットによって得られた第１の拡大像を更に拡大して前記スクリーンに第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２投写光学ユニットとを配置し、前記第１の拡大像が前記第２投写光学ユニットよりも映像表示素子側において結像する構成を特徴とするものである。

また、第１投写光学ユニットと前記第２投写光学ユニットの間に正の屈折力を持つフィールドレンズ群を配置し、前記第１の拡大像の倍率Ｍ１を前記第２の拡大像の倍率Ｍ２より小さくする。また、前記第１投写光学ユニットは、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よい。

第１投写光学ユニットによる第１の拡大像は、第２投写光学ユニット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、すなはちＦ２＝Ｆ１×Ｍ１となる。このため第２投写光学ユニットの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。

さらに、前記第１投写光学ユニットによる形成される第１の拡大像は、前記フィールドレンズ群近傍で結像する。例えば前記第1投写光学ユニット側に結像することでフィールドレンズ群にゴミが付着してもスクリーン上の拡大像に影響を与えることがない。

また、投写型カラー映像表示装置そのものをコンパクトにする第１の実現手段として、以下のものが挙げられる。
（１）前記第２投写光学ユニットとフィールドレンズ群の間に光路折り返し手段を設ける。この光路折返しの具体的な技術手段としてプリズムを用いてもよく、折り返しミラーを用いればコストアップを抑えてコンパクト化が実現できる。
（２）更に第１投写光学ユニットを構成するレンズ素子とレンズ素子の間に光路折り返し手段を設ける。
（３）加えて第２投写光学ユニット構成するレンズ素子とレンズ素子の間に光路折り返し手段を設ける。
また、投写型カラー映像表示装置そのものをコンパクトにする第２の実現手段として、以下のものが挙げられる。
（４）２つのレンズ群を有する投写光学ユニットの場合には、上記第１投写光学ユニットの光軸と上記第２投写光学ユニットの光軸をずらして配置する。すなわち、第２投写光学ユニットを第１の拡大像に対してシフトさせて配置し、折り返しミラーを介してスクリーン上に拡大像を得ることで更なるコンパクト化が実現できる。
（５）２つのレンズ群を有する投写光学ユニットの場合には、上記第１投写光学ユニットをスクリーン画面水平方向に概ね平行となるように配置する。更に、第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットとの間には光路折り返し手段を設け、該第２投写光学ユニットをスクリーン画面水平方向に対して概ね垂直となるように(すなわち、第１投写光学ユニットの光軸と第２投写光学ユニットの光軸とが互いに直交するように)配置し、折り返しミラーを介してスクリーン上に拡大像を得ることで更なるコンパクト化が実現できる。

投写距離が短い投写型カラー映像表示装置は、小さな部屋での打合せの際に、装置の設置場所の制約を受けず有効である。また、背面投写型カラー映像表示装置として用いる場合には、装置全体の薄型化にとって特に有効である。

投写距離を短くするためには、投写光学ユニットの広角化が不可欠であるが、従来の投写光学ユニットの場合での、広角化の際の問題点について、図５６と図５７を用いて説明する。

図５６は、照明光学系の基本構成図である。図５７は、投写光学ユニットの基本構成図である。

図５６で、光源１１から出射した自然光である白色光は、リフレクタ１２で反射され、インテグレータとしての第１のマルチレンズ１３１と第２のマルチレンズ１３２を経て、偏光変換素子１４で偏光状態をそろえされる。白色光はダイクロイックミラー１６０・１６１で構成される色分離手段によって、赤色、緑色、青色に分離される。赤色、緑色、青色に分離した各光束は、赤色用、緑色用、青色用の映像表示素子１７１、１７２、１７３に、合焦レンズ１５０とＣレンズ１５１、１５２と、リレーレンズ１５３、１５４、１５５によって、映像表示素子に照射される。各赤色用、緑色用、青色用の映像表示素子から出射した光束を色合成するのがクロスプリズム１９であり、色合成された白色光が投写レンズに入射する構成である。

図５７は、模式的に、映像表示素子とクロスプリズムと投写レンズ（凸レンズと凹レンズで構成）を経て光束が投写される様子を表している。

先の広角化に話を戻すと、広角化とは、投写レンズにとっては焦点距離を短くすることであり、単純には、投写レンズと映像表示素子の距離が短くなる。しかしながら、投写レンズと映像表示素子の間にはクロスプリズムが存在するので、通常は、投写レンズを凹凸の基本構成とする。このとき、投写レンズはレンズ枚数が増えると同時に、レンズ径も大きくなる。広角でレンズ径が大きい投写レンズは、背面ミラーで折り曲げた光束の光路が、投写レンズでけられる等の不具合が発生する。

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、これを採用したカラー映像表示装置や背面投写型カラー映像表示装置では、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。

本発明に係る投写光学ユニットの構成図である。 角度ずれによる瞳のずれの見積もり図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の構成図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の白色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の赤色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の緑色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の青色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の非点収差と歪曲の図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の白色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の赤色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の緑色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例１の青色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の構成図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の白色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の赤色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の緑色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の青色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の非点収差と歪曲の図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の白色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の赤色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の緑色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例２の青色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の構成図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の白色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の赤色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の緑色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の青色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の非点収差と歪曲の図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の白色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の赤色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の緑色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットの実施例３の青色のスポット図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例１の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例２の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例３の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例４の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例５の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例６の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例７の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例８の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例９の構成図である。 本発明に係る第２投写光学ユニットの実施例１０の構成図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた構成図である。 物点の説明図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた白色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた赤色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた緑色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた青色の収差図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた歪曲の説明図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた歪曲の補足説明図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた歪曲の実測の説明図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた白色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた赤色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた緑色のスポット図である。 本発明に係る第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを組み合わせた青色のスポット図である。 照明光学系の構成図である。 従来のレトロフォーカス型の投写レンズの基本構成図である。

図１を用いて、本発明の基本構成及び、その機能について説明する。図１では、映像表示素子に表示された画像を拡大投影する投写光学ユニットを、第１の拡大像を形成するための第１投写光学ユニットと、第１投写光学ユニットによって得られた第１の拡大像を更に拡大して第２の拡大像を形成するための、正の屈折力を持つ第２投写光学ユニットの２つのレンズ群で構成する。

第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットに分けたことで、全体のレンズ枚数は増えるが、第２投写レンズと第１拡大像の距離が短くできるので、第２投写光学ユニットを広角化しても、第２投写光学ユニットの大型化を防止できる。

第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットの接続の際の問題点について、図２を用いて説明する。

後で、具体的な投写光学ユニットの数値について説明するが、第１投写光学ユニットの実施例１は倍率３倍、第２投写光学ユニットの実施例１は倍率２７倍である。第１投写光学ユニットへの照明光学系からの入射光束のＦ値をＦ２．６７とすると、第１投写光学ユニットを出射した光束のＦ値は、Ｆ８となる。即ち、第１投写光学ユニットに入射したコーンアングル±１０．６度の光束は、第１投写光学ユニットを出射した後では、コーンアングル±３．６度の光束となる。光束の角度が小さくなっている分、第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットの瞳位置のずれで、光束量が大きく劣化する。瞳位置がずれれば、本来は瞳径も変化するのであるが、実質的な瞳の重なり／或いはずれの量を見積もるために、瞳位置を固定し、角度ずれ分、瞳を移動させた見積もりを実施した。

図２で、第１投写光学ユニットの瞳径を円１とし、第２投写光学ユニットの瞳径を円２とする。このとき、円１は数１で、円２は数２で表される。
（数１）ｘ^２＋ｙ^２＝ｒ^２
（数２）ｘ^２＋（ｙ−δ）^２＝ｒ^２
円１と円２の重なる面積は、数３で示す円１の上側と、数４で示す円２の下側の式の差分を、２つの円の交点（ｘ_０とする）の範囲で積分して求まる。
（数３）ｙ＝√（ｒ^２―ｘ^２）
（数４）ｙ＝δ−√（ｒ^２―ｘ^２）
積分の式は、数５で求まるので、瞳が合致したときの面積Ｓ_０＝πｒ^２に対する比率が求まる。なお、ｘ０は、数１と数２の交点で、数６で求まる。
（数５）Ｓ＝∫｛ｘ√（ｒ^２―ｘ^２）−[δ−√（ｒ^２―ｘ^２）]｝ｄｘ
＝[ｘ√（ｒ^２―ｘ^２）＋ｒ^２ｓｉｎ（ｘ／ｒ）−δｘ]
＝２[ｘ_０√（ｒ^２―ｘ_０ ^２）＋ｒ^２ｓｉｎ（ｘ_０／ｒ）−δｘ_０]
（数６）ｘ_０＝±√（ｒ^２―δ^２／４）
例えば、δ／ｒ＝０．１の場合でＳ／Ｓ_０＝９３．６％、δ／ｒ＝０．２の場合でＳ／Ｓ_０＝８７．３％となる。

一方で、Ｆ８の場合はｔａｎθ＝１／（２Ｆ）＝０．００６２５、角度ずれを０．１度とするとｔａｎθ＝０．００１７５となる。この場合、δ／ｒ＝０．００１７５／０．００６２５＝０．０２８であり、Ｓ／Ｓ_０＝９８．２％となった。角度ずれが０．２度の場合でも同様に計算すると、ｔａｎθ＝０．００３４９となる。この場合、δ／ｒ＝０．００３４９／０．００６２５＝０．０５６であり、Ｓ／Ｓ_０＝９６．４％となった。一方、１度では、δ／ｒ＝０．２７９であり、Ｓ／Ｓ_０＝８２．３％にもなった。すなわち、第１拡大像側では、Ｆ値が映像表示素子側に比べて大きくしている分、角度ずれによる光量の減少が大きいことが分かる。

以下、本発明での第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットの具体的な数値実施例について説明する。先ず、第１投写光学ユニットの具体的な数値実施例について説明する。
〔実施例１−１〕
図３から図１２と表１を用いて第１投写光学ユニットの数値実施例１について説明する。図３は、第１投写光学ユニットの構成図と光線図である。映像表示素子からテレセントリックな状態で出射した光束が、第１拡大像側でテレセントリックに結像している様子がわかる。

表１は、レンズデータを示しており、面番号は物面を０、順に第１面から第２５面そして像面の順に並んでいる。曲率半径は光軸の右側に曲率の中心がある場合が正の値で逆の場合が負の値である。面間距離はレンズ面から次のレンズ面までの光軸上の距離である。

また、第２４面と第２５面が非球面であり、その断面形状は下記数７の非球面式で表され、その球面係数は表の値である。
（数７） ｚ＝（ｙ^２／ｒ）／｛１＋√（１−（１＋Ｋ）ｙ^２／ｒ^２）｝
+Ａ・ｈ^４+Ｂ・ｈ^６+Ｃ・ｈ^８+Ｄ・ｈ^１０＋Ｅ・ｈ^１２ 図４から図７が収差図である。図４は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色での収差図であり、色収差もわかる表示となっている。図５は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図、図６は波長５５０ｎｍでの緑色の収差図、図７は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。単位は０．０５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図８は非点収差と歪曲率の図である。歪曲率は最大でも０．１％と良好な値を示している。図９から図１２はスポット図である。図９は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色でのスポット図であり、色収差もわかる表示となっている。図１０は波長６５０ｎｍでの赤色のスポット図、図１１は波長５５０ｎｍでの緑色のスポット図、図１２は波長４５０ｎｍでの青色のスポット図である。単位は０．１ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

なお、スポット図にいては、赤色用映像表示素子と、緑色用映像表示素子と、青色用映像表示素子が独立の最適な位置に調整できるのでその、相当する位置でのスポットで表示した。
〔実施例１−２〕
図１３から図２２と表２を用いて第１投写光学ユニットの数値実施例２について説明する。図１３は、第１投写光学ユニットの構成図と光線図である。映像表示素子からテレセントリックな状態で出射した光束が、第１拡大像側でテレセントリックに結像している様子がわかる。

表２は、レンズデータを示しており、面番号は物面を０、順に第１面から第２５面そして像面の順に並んでいる。曲率半径は光軸の右側に曲率の中心がある場合が正の値で逆の場合が負の値である。面間距離はレンズ面から次のレンズ面までの光軸上の距離である。

また、第２４面と第２５面が非球面であり、その断面形状は上記数７に示した非球面式で表され、その非球面係数は表の値である。

図１４から図１７が収差図である。図１４は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色での収差図であり、色収差もわかる表示となっている。図１５は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図、図１６は波長５５０ｎｍでの緑色の収差図、図１７は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。単位は０．０５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図１８は非点収差と歪曲率の図である。歪曲率は最大でも０．１％と良好な値を示している。図１９から図２２はスポット図である。図１９は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色でのスポット図であり、色収差もわかる表示となっている。図２０は波長６５０ｎｍでの赤色のスポット図、図２１は波長５５０ｎｍでの緑色のスポット図、図２２は波長４５０ｎｍでの青色のスポット図である。単位は０．１ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

なお、スポット図にいては、赤色用映像表示素子と、緑色用映像表示素子と、青色用映像表示素子が独立の最適な位置に調整できるのでその、相当する位置でのスポットで表示した。
〔実施例１−３〕
図２３から図３２と表３を用いて第１投写光学ユニットの数値実施例３について説明する。図２３は、第１投写光学ユニットの構成図と光線図である。映像表示素子からテレセントリックな状態で出射した光束が、第１拡大像側でテレセントリックに結像している様子がわかる。

表３は、レンズデータを示しており、面番号は物面を０、順に第１面から第２５面そして像面の順に並んでいる。曲率半径は光軸の右側に曲率の中心がある場合が正の値で逆の場合が負の値である。面間距離はレンズ面から次のレンズ面までの光軸上の距離である。

また、第２４面と第２５面が非球面であり、その断面形状は上記数７に示した非球面式で表され、その非球面係数は表の値である。

図２４から図２７が収差図である。図２４は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色での収差図であり、色収差もわかる表示となっている。図２５は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図、図２６は波長５５０ｎｍでの緑色の収差図、図２７は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。単位は０．０５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図２８は非点収差と歪曲率の図である。歪曲率は最大でも０．１％と良好な値を示している。図２９から図３２はスポット図である。図２９は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色でのスポット図であり、色収差もわかる表示となっている。図３０は波長６５０ｎｍでの赤色のスポット図、図３１は波長５５０ｎｍでの緑色のスポット図、図３２は波長４５０ｎｍでの青色のスポット図である。単位は０．１ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

なお、スポット図にいては、赤色用映像表示素子と、緑色用映像表示素子と、青色用映像表示素子が独立の最適な位置に調整できるのでその、相当する位置でのスポットで表示した。

また、説明した各数値実施例での映像表示素子側から順位にレンズ玉をＬ１からＬ１３としたとき、凹レンズであるＬ１０の焦点距離ｆ凹と、凸レンズであるＬ１１からＬ１２の焦点距離ｆ凸の焦点距離は、レンズの全長Ｌで規格化し、それぞれ、以下の値である。
実施例１ ｆ凹／Ｌ＝−０．１０８、ｆ凸／Ｌ＝０．１６０
実施例２ ｆ凹／Ｌ＝−０．１１３、ｆ凸／Ｌ＝０．１７２
実施例３ ｆ凹／Ｌ＝−０．１１４、ｆ凸／Ｌ＝０．１７４
次に、第２投写光学ユニットの具体的な数値実施例について説明する。
〔実施例２−１〕
以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。図３３〜４２に、本発明の一実施例である第２投写光学ユニットの説明図を示す。以下、図面を用いて説明するが、図３４〜４２については、下記の表４〜１２に示したデータから図３３と同様に理解できると思われるので、説明を略し、図３３を主にして説明する。

図３３で、左側の第１拡大像からさらに拡大する作用を有している。第２投写光学ユニットについても表のレンズデータを用いた光学計算をすれば、良好な光学性能でことは確認できる。

以下、第１投写光学ユニットの実施例１と、第２投写光学ユニットの実施例１を組み合わせた例について、図４３から図５５を用いた説明する。図４３は、構成図であり、ＹＺ断面で第１投写光学ユニットに対して、第１投写光学ユニットを９．８ｍｍ偏心させている。この目的は、背面投写の際のコンパクトはレイアウトのためである。図４４は、物点の説明図である。第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットを偏心させた結果、回転対称ではなくなるので、映像表示素子の上下左右の点と、途中の点を物点として設定した。

図４５から図４８が収差図である。図４５は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色での収差図であり、色収差もわかる表示となっている。図４６は波長６５０ｎｍでの赤色の収差図、図４７は波長５５０ｎｍでの緑色の収差図、図４８は波長４５０ｎｍでの青色の収差図である。単位は０．０５ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

図４９から図５１は歪曲に関する説明図である。図４９は、通常の歪曲をＹ軸方向の上下で表示した図である。第１投写光学ユニットと偏心させた第２投写光学ユニットの比較のために、第１投写光学ユニットは像高に対する表示を、第２投写光学ユニットは物高に対する表示を行っている。ＹＺ断面では、図４９のように９．８ｍｍずれして比較すれば良い。ＹＺ断面以外では、それぞれ、第１投写光学ユニットの光軸と第２投写光学ユニットの光軸からの距離で換算する必要がある。図５０がその換算図である。図５１ＴＶ表示歪曲収差の説明図である。計算値において、線分（１）（２）を基準として線分（４）（５）が０．０２％、線分（１）（２）を基準として線分（７）（８）が０．０１％、線分（１）（３）を基準として線分（２）（５）が−０．０２％、線分（１）（７）を基準として線分（２）（８）が０．０２％と非常に小さい値を実現している。

また、実測においては、ＴＶ枠に対応する矩形枠の変形で歪曲は測定される。具体的には、Ｙ方向は、左右の縦線の平均値に対する中央の縦線で定義されるので、線分（４）（７）に対する線分（５）（８）であり先の−０．０２％と０．０２％の平均値に相当するので、更に小さな値となる。Ｘ方向は上下の横線の平均値に対する中央の横線で定義されるので、ほぼ、先に説明した計算値に等しい値となる。

図５２から図５５はスポット図である。図５２は波長６５０ｎｍと５５０ｎｍと４５０ｎｍを一緒に表示した白色でのスポット図であり、色収差もわかる表示となっている。図５３は波長６５０ｎｍでの赤色のスポット図、図５４は波長５５０ｎｍでの緑色のスポット図、図５５は波長４５０ｎｍでの青色のスポット図である。単位は０．１ｍｍであり、良好に収差補正されている様子がわかる。

なお、スポット図にいては、赤色用映像表示素子と、緑色用映像表示素子と、青色用映像表示素子が独立の最適な位置に調整できるのでその、相当する位置でのスポットで表示した。

以上の説明のように、第１投写光学ユニットと第２投写光学ユニットの組合せにおいても良好が光学性能を有していることがわかる。

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。

本発明の投写型カラー映像表示装置においては、第２投写光学ユニットの光軸を第１投写光学ユニットの光軸に対して、例えばＸＺ平面において略Ｘ軸の正方向に偏心させる。これにより、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。さらに第２投写光学ユニットの投写距離を短縮するとともに上記とは逆側に偏心させることでコンパクトなセットが実現できる。

すなわち、照明光学系と第１投写光学ユニットは共用化し、第２投写光学ユニットの投写距離や両者の偏心量だけを変更することで全く異なったフォルムのセットを実現できる。このため、セットの機種展開を最小限の金型投資にて実現できるので開発効率に優れている。

さらに、第２投写光学ユニットの光軸を第１投写光学ユニットの光軸に対して、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投写光学ユニット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。

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投写光学ユニット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が実現できる。

第１投写光学ユニット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投写光学ユニット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投写光学ユニット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。

また、第２投写光学ユニットの光軸を第１投写光学ユニットの光軸に対して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、透過型スクリーン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。

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。

なお、本発明による投写光学ユニットは、背面投写型カラー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カラー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。

１…第１レンズ群、２…第２レンズ群、３…第３レンズ群。

Claims (7)

1. 映像表示素子に表示された画像を拡大投影する投写光学ユニットを有する投写型映像表示装置において、
   前記画像を拡大して第１の拡大像を形成する第１の投写光学ユニットと、
   前記第１の拡大像を拡大して第２の拡大像を形成する第２の投写光学ユニットと、を備え、
   前記映像表示素子に表示された画像に対する前記第１の拡大像の倍率Ｍ１は、前記第１の拡大像に対する前記第２の拡大像の倍率Ｍ２より小さく、
   前記第１の投写光学ユニットの光軸と前記第２の投写光学ユニットの光軸は偏心し、
   前記第１の投写光学ユニットのＦ値をＦ１、前記第２の投写光学ユニットのＦ値をＦ２とすると、Ｆ２＝Ｆ１×Ｍ１となり、
   前記第１の投写光学ユニットは、該第１の投写光学ユニットの映像表示素子側、及び、該第１の拡大像側にテレセントリックな関係にあり、該第１の拡大像はテレセントリックに結像する、投写型映像表示装置。
2. 前記第１の拡大像は前記第２の投写光学ユニットよりも前記映像表示素子側において結像する、請求項１記載の投写型映像表示装置。
3. 前記第２の投写光学ユニットの光軸が前記スクリーン画面中央よりずれるように、前記第２の投写光学ユニットの光軸を前記第１の投写光学ユニットの光軸に対して偏心している、請求項１記載の投写型映像表示装置。
4. 前記第２の投写光学ユニットは前記第１の拡大像に対して偏心している、請求項１記載の投写型映像表示装置。
5. 前記映像表示素子の光軸と前記第１の投写光学ユニットの光軸は偏心していない、請求項１記載の投写型映像表示装置。
6. 前記Ｍ１は、２から７である、請求項１記載の投写型映像表示装置。
7. 前記第１の拡大像と前記第２の拡大像は倒立の関係にある、請求項１記載の投写型映像表示装置。

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