投影光學單元和投影型彩色圖像顯示裝置和使用該投影光學單元的背投型彩色圖像顯示裝置的製作方法
2023-05-23 22:23:11 2
專利名稱：投影光學單元和投影型彩色圖像顯示裝置和使用該投影光學單元的背投型彩色圖像顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及將放大圖像投影到屏幕上進行圖像顯示的投影型彩色圖像顯示裝置、從屏幕背面投影該放大圖像的背投型彩色圖像顯示裝置和用於這些裝置的投影光學單元。
背景技術：
在通過投影光學單元將圖像顯示元件的畫像放大投影到屏幕上的彩色圖像顯示裝置中，要求在屏幕上得到充分大的放大圖像且縮短投影距離。為實現該要求，例如如特開平5-134213號公報(特許文獻1)、特開2000-162544號公報(特許文獻2)和特開2002-357768號公報(特許文獻3)上述特許文獻1～3所記載的，已知有構成為從相對屏幕傾斜的方向放大投影的投影光學單元。
相對屏幕從傾斜方向投影圖像時，在投影圖像上產生了所謂的梯形失真。為消除該失真，在上述特許文獻1所記載的投影光學單元中，構成為使在屏幕側配置的遠焦變距鏡(afocal converter)偏心而抑制梯形失真。特許文獻1中所公開的遠焦變距鏡由於倍率很低所以很難廣角化。另外，在上述特許文獻2中所記載的投影光學單元中，作為背投型彩色圖像顯示裝置越薄形化廣角化越難。另外，由於需要使所使用的透鏡個別偏心，所以存在製造困難的問題。上述特許文獻3中所記載的投影光學單元包括具有正放大率的第一折射透鏡系統、具有負放大率的第二折射透鏡系統和光路折返鏡子，在具有負放大率的第二折射透鏡系統內，有至少兩個為旋轉對稱性不同的偏心系統。因此，存在製造時很難保證各透鏡的位置精度的問題。
進一步，在上述現有技術中，僅著眼於投影光學單元進行設計很難使含有照明光學系統的系統整體為最佳設計。
如前所述，作為用於使用透過型液晶面板作為圖像顯示元件的現有彩色圖像顯示裝置的投影光學單元的問題，除了裝置的小型化所必須的廣畫角化之外，還具有下列問題。即，為對應於面板的高解析度的高聚焦化、對應於面板或彩色圖像顯示裝置的小型化的高倍率化。
另一方面，在使用反射型液晶面板作為圖像顯示元件的情況下，由於可將像素電極配置在液晶層的背面，故可實現高開口率。因此，相對透過型液晶面板具有下列特徵。
(1)在相同解析度的情況下，可減小一圈面板大小。
(2)在相同面板大小的情況下，可得到更多的像素數(高解析度)。
因此，用於使用了反射型液晶面板的彩色圖像顯示裝置的投影透鏡裝置相對於使用透過型面板的裝置，希望更高聚焦化和更高倍率化。進一步，在使用了反射型液晶面板的圖像投影裝置的光學系統中，由於在圖像顯示元件和投影透鏡裝置間存在除色合成稜鏡之外的大的空氣間隔，所以需要更長的背焦距(back focus)。
另外，在上述的投影型彩色圖像顯示裝置中，根據使用面板的有效畫面尺寸來重新設計開發投影光學單元，而需要昂貴的開發投資。
這樣，在背投型彩色圖像顯示裝置中，應實現尺寸的小型化、需要廣畫角且高聚焦、進而高倍率下背焦距長的投影光學單元。另外，希望即使在使用有效畫面尺寸或方式不同的面板的情況下，也不重新設計開發照明光學系統整體或投影光學單元，而可對應改變標準品的一部分來降低開發投資。
發明內容
本發明鑑於這樣的問題而作出，本發明的目的是提供可實現裝置的小型化的技術。
為實現上述目的，本發明的特徵在於，構成為在圖像顯示元件到屏幕的光路間配置形成第一放大像用的具有正折射能力的第一透鏡組，和位於該第一透鏡組的屏幕側，並進一步放大由所述第一透鏡組得到的第一放大像，並在所述屏幕上形成第二放大像用的具有正折射能力的第二透鏡組，所述第一放大像成像在比所述第二透鏡組還位於圖像顯示元件側的位置處。
另外，在第一透鏡組和所述第二透鏡組間配置具有正折射能力的物鏡組，所述第一放大像的倍率M1小於所述第二放大像的倍率M2。另外，所述第一透鏡組也可配合照明光學系統的F值以遠心設計在圖像顯示元件側。
根據第一透鏡組的第一放大像成像在比第二透鏡組還位於圖像顯示元件側的位置處。因此，作為第二組的F值F2(光線的發散角度)是作為第一透鏡組的F值的F1除以第一放大像的倍率M1的值，即F2＝F1/M1。因此，由於第二透鏡組的F2大，所以對於畫角超過90度的超廣角化是有利的。
進一步，由所述第一透鏡組形成的第一放大像成像在所述物鏡組附近。例如，通過在所述第一透鏡組側成像即使在物鏡組側粘附了異物也不會對屏幕上的放大像產生影響。
另外，作為小型化投影型彩色圖像顯示裝置的第一實現方法，可舉出下列方法。
(1)在所述第二透鏡組和物鏡組間設置光路折返裝置。作為該光路折返的具體技術方法也可使用稜鏡，若使用折返鏡子則可抑制成本上升，實現小型化。
(2)進一步，在構成第一透鏡組的透鏡元件和透鏡元件間設置光路折返裝置。
(3)除此之外，在構成第二透鏡組的透鏡元件和透鏡元件間設置光路折返裝置。
另外，作為小型化投影彩色圖像顯示裝置本身的第二實現方法，可舉出下列方法。
(4)在具有兩個透鏡組的投影光學單元的情況下，偏差配置上述第一透鏡組的光軸和上述第二透鏡組的光軸。即，使第二透鏡組相對第一放大像偏移地配置，並通過經折返鏡子在屏幕上得到放大像而可實現進一步小型化。
(5)在具有兩個透鏡組的投影光學單元的情況下，配置第一透鏡組，使其與屏幕畫面水平方向大致平行。進一步，在第一透鏡組和第二透鏡組之間設置光路折返裝置，配置該第二透鏡組，使其與屏幕畫面水平方向大致垂直(即，使第一透鏡組的光軸和第二透鏡組的光軸彼此正交)。並且，通過經折返鏡子在屏幕上得到放大像而可實現進一步小型化。
圖1是作為本發明的實施方式1的背投型彩色圖像顯示裝置的主視圖。
圖2是作為本發明的實施方式1的背投型彩色圖像顯示裝置的側視圖。
圖3是作為本發明的實施方式2的背投型彩色圖像顯示裝置的主視圖。
圖4是作為本發明的實施方式2的背投型彩色圖像顯示裝置的側視圖。
圖5是作為本發明的實施方式1的投影型彩色圖像顯示裝置的俯視圖。
圖6是作為本發明的實施方式2的投影型彩色圖像顯示裝置的俯視圖。
圖7是表示作為本發明的實施方式1的投影型彩色圖像顯示裝置的照明光學系統的配置圖。
圖8是表示作為本發明的實施方式2的投影型彩色圖像顯示裝置的照明光學系統的配置圖。
圖9是表示作為本發明的實施方式1的投影光學單元的第一透鏡組的透鏡數據的圖。
圖10是表示作為本發明的實施方式1的投影光學單元的第一透鏡組的透鏡配置的圖。
圖11是表示對作為本發明的實施方式1的投影光學單元的第一透鏡組的光線追蹤結果的圖。
圖12是表示作為本發明的實施方式1的投影光學單元的第二透鏡組的透鏡數據的圖。
圖13是表示作為本發明的實施方式1的投影光學單元的第二透鏡組的透鏡配置的圖。
圖14是表示對作為本發明的實施方式1的投影光學單元的第二透鏡組的光線追蹤結果的圖。
圖15是表示作為本發明的實施方式1的投影光學單元的光線追蹤結果的圖。
圖16是表示由作為本發明的一實施方式的投影光學單元的第一透鏡組形成的成像面的光斑形狀的特性圖。
圖17是表示由作為本發明的一實施方式的投影光學單元的第二透鏡組形成的成像面的光斑形狀的特性圖。
圖18是表示由作為本發明的一實施方式的投影光學單元形成的成像面的光斑形狀的特性圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖，詳細說明使用本發明的投影光學單元的投影型彩色圖像顯示裝置和背投型彩色圖像顯示裝置。
圖1是使用本發明的投影光學單元的背投型彩色圖像顯示裝置的第一實施例的主視圖。該圖中，1表示照明光學系統、5表示框體、6表示屏幕、7表示光路折返鏡子。4表示將來自白色光源的光通過照明光學系統1照射到圖像顯示元件(圖中未示)中，並通過投影光學單元放大投影由圖像顯示元件根據圖像信號形成的光學像的光學單元。另外，3表示投影光學單元的內置有具有正折射能力的第一透鏡組(圖中未示、後述)的第一透鏡鏡筒，2表示投影光學單元的內置有具有正折射能力的第二透鏡組(圖中未示、後述)的第二透鏡鏡筒。光學單元4和圖中沒有示出的電源和顯示驅動電路等一起被組裝到底盤(圖中未示)中，形成投影彩色圖像顯示裝置。下面，以光學單元4為代表表示該投影型彩色圖像顯示裝置。
光學單元4如圖2那樣被配置在框體5的下部，並通過光路折返鏡子7折返投影來的圖像光，而從屏幕6的背面側投影到屏幕6上。
本發明的投影光學單元4包含其光軸與屏幕6的畫面水平方向大致平行地配置的、內置在第一透鏡鏡筒3中的第一透鏡組(圖中未示、後述)，和其光軸與第一透鏡組的光軸大致正交地配置的、內置在第二透鏡鏡筒2中的第二透鏡組(圖中未示、後述)。另外，投影光學單元4在第一透鏡組和第二透鏡組的連接部分具有折返光路用的光路折返裝置(圖中未示、後述)，使得將來自第一透鏡組的圖像光導入到第二透鏡組中。
這樣，本發明的投影光學單元4至少分割為兩個透鏡組，並配置為其光軸大致正交。並且，由於第一透鏡組的光軸配置為與屏幕6的畫面水平方向上大致平行，所以可使背投型彩色圖像顯示裝置的進深變薄，並進一步減小投影光學單元的高度方向。因此，本發明的投影光學單元4在裝置整體的小型化方面是有效的。在使用水平點亮用的光源燈來作為光源，並在將該光源燈配置為與畫面水平方向大致平行的情況下，尤其有效。
這裡，為使下面的說明變得容易，導入右手系正交坐標。圖1中屏幕6與YZ平面平行，屏幕6的水平(橫)方向為Z軸，垂直(縱)方向為Y軸方向。屏幕6中從表面側(觀察者側)向背面的方向為X軸。
圖2是使用本發明的投影光學單元的背投型彩色圖像顯示裝置的側視圖，對與圖1所示的結構部件具有相同作用的部件賦予同一附圖標記。圖2中，配置有內置在第一透鏡鏡筒3中的第一透鏡組(圖中未示)的光軸31(該圖中的Z軸、下面省略為第一透鏡鏡筒的光軸)和內置在第二透鏡鏡筒2內的第二透鏡組(圖中未示)的光軸21(下面，省略為第二透鏡鏡筒的光軸)，使其通過內置的光路折返裝置(圖中未示)大致正交。進一步，通過使第二鏡筒2的光軸21相對所述第一透鏡鏡筒3的光軸31向紙面右側方向的大致X軸方向偏心，而使投影光學單元的光軸相對屏幕6偏心。因此，光路折返鏡子7向屏幕6的下端的光線LD和X軸所成的角度變大。因此，可在畫面垂直方向上部方向的Y軸方向抬升該分光單元4的位置，可將第二透鏡鏡筒2相對於屏幕6的下端配置在畫面垂直方向上部。根據這種結構，可實現屏幕下端到框體5的底面的距離短的小型化的裝置。
圖3是使用本發明的投影光學單元的背投型彩色圖像顯示裝置的第二實施例的主視圖。該圖中，11表示照明光學系統、15表示框體、16表示屏幕、17表示光路折返鏡子、14表示光學單元。另外，13表示內置有第一透鏡組(圖中未示)的第一透鏡鏡筒，12表示內置有第二透鏡組(圖中未示)的第二透鏡鏡筒。與第一實施例相同，配置第一透鏡鏡筒13的光軸，使其與屏幕16的畫面水平方向(圖中Z軸)大致平行，故對裝置整體的小型化是有效的。
圖4是使用本發明的投影光學單元的背投型彩色圖像顯示裝置的第二實施例的側視圖，對與圖3所示的結構部件具有相同作用的部件賦予同一附圖標記。通過內置的圖中沒有示出的光路折返裝置(後述)大致正交配置第一透鏡鏡筒13的光軸131(該圖中的Z軸)和第二透鏡鏡筒的光軸121。進一步，使第二透鏡鏡筒12的光軸121相對所述第一透鏡鏡筒13的光軸131向與圖2的情況相反的一側(即，圖4紙面左側方向的大致X軸方向)偏心，並縮短第二透鏡單元12的投影距離。由此，光路折返鏡子17的配置方向接近於垂直方向，並減小與屏幕16之間所成的角度。進一步，光路折返鏡子17的配置位置接近於屏幕側，可直接減小裝置的進深，並可實現小型化的裝置。但是，這時，增加了框體15的高度。
接著，使用圖5說明用於所述第一實施例的本發明的投影型彩色圖像顯示裝置的投影光學單元的詳細結構。為說明方便，對與圖1所示的結構部件具有相同作用的部件賦予同一附圖標記。
該圖中，21表示作為光源的白色燈，4表示使用透過型液晶面板51(52，53)作為圖像顯示單元時的光學單元。
通過圖中沒有示出的照明光學系統偏光變換/分光來自白色燈21的光，並照射到透過型液晶面板51(52，53)上。在透過型液晶顯示面板51(52，53)中光強度調製所入射的各色光而形成光學像。通過正交稜鏡(cross prism)27合成各色光的光學像而成為彩色圖像，並由投影光學單元210放大。
投影光學單元210包含內置在第一透鏡鏡筒3內具有正折射能力的第一透鏡組22和物鏡23，和具有正折射能力的內置在第二透鏡鏡筒內的的第二透鏡組24，在第一透鏡鏡筒3和第二透鏡鏡筒2的連接部分處具有將來自第一透鏡組22、物鏡23的圖像折返導光到第二透鏡組24的光路折返裝置25。另外，31和21是所述第一透鏡組22的光軸和第二透鏡組24的光軸。另外，圖5中雖然物鏡23以一個透鏡示出，但是其也可以是由多個透鏡構成的透鏡組。
本發明中，由正交稜鏡27合成的圖像由第一透鏡組22成像到物鏡23的附近而作為暫時放大像(倒立像、在圖5中由IMG表示一例)。並且，通過光路折返裝置25使第二透鏡組24的光軸21相對第一透鏡組22的光軸31大致垂直配置，同時，向例如大致X軸的正方向(圖2中為紙面右側方向)偏心。
由於照明光學系統的F值為2.0到3.0左右，所以需要第一透鏡組22的F值也相同程度地高效取入光束。若設透過型液晶面板的有效畫面大小為0.7英寸，第一透鏡組的放大率M1為3倍，則物鏡23附近的放大像相當於2.1英寸。這時，由於從第二透鏡組24看物體(第一透鏡組22的放大像(圖中的IMG))時的光束的入射角度與倍率M成反比，所以理論上第二透鏡組24的F值為9.0左右。因此，可將第二透鏡組24的畫角設計為超廣角。這裡，若屏幕對角大小為50英寸，這時第二透鏡組24的倍率M2大約為24倍左右。即，第一透鏡組22的倍率M1比第二透鏡組24的倍率M2小。
另外，本發明的投影型光學單元210包含具有正折射能力的第一透鏡組和第二透鏡組。因此，通過第一透鏡組22將由正交稜鏡27合成的圖像成像到物鏡23的附近作為倒立像(第一放大像)，通過第二透鏡組將該倒立像投影到屏幕上來作為正立像(第二放大像)。在通常的投影型彩色圖像顯示裝置中，投影為屏幕狀的投影像相對圖像顯示元件上的圖像倒立，但是本發明中具有正立的特徵。
圖5所示的本發明的投影型圖像顯示裝置中，相對合成圖像的正交稜鏡27，作為圖像顯示元件的透過型液晶面板可將畫面水平方向配置在XY平面。這是因為正交稜鏡的尺寸由畫面的高寬比短的方向的尺寸決定，故可縮短投影透鏡的背焦距。因此，由於可使正交稜鏡小型化，故對成本降低是有利的。進一步，可將光源用燈21和第二透鏡組24的光軸配置為大致垂直。因此，如圖1或圖2所述，使用本發明的投影型彩色圖像顯示裝置來構成背面投影型圖像顯示裝置的情況下，可與畫面水平方向大致平行地配置水平點亮用的光源燈。因此，即使在XY平面上投影型彩色圖像顯示裝置的仰角改變，也可決定裝置內部的布局，而不損害燈的壽命。
圖6是表示使用全反射鏡來作為在第一透鏡組和第二透鏡組間配置的光路折返裝置26時的實施例。該圖中，對於與圖5所示的結構部件具有相同作用的部件賦予同一附圖標記，由於各個結構部件的作用與圖5所示的實施例相同，故省略說明。
在圖5和圖6所示的本發明的投影型彩色圖像顯示裝置中，使第二透鏡組24的光軸21相對第一透鏡組22的光軸31在例如XZ平面中向大致X軸的正方向(圖2中紙面右側方向)偏心。由此，可實現從圖2所示的屏幕下端到底面的距離短的小型化裝置。進一步，在縮短第二透鏡組的投影距離的同時，通過向上述的相反側(圖4中紙面左側方向)偏心而可實現圖4所示的小型化的裝置。
即，共用照明光學系統和第一透鏡組，僅改變第二透鏡組的投影距離或兩者的偏心量，從而可實現完全不同形式的裝置。因此，由於可用最少的模具投資來實現裝置的各種機型，故可提高開發效率。
進一步，通過使第二透鏡組24的光軸21相對第一透鏡組22的光軸31在例如XZ平面上向Z軸方向偏心，而不需要將第二透鏡組配置在屏幕畫面中央。由此，由於增加了裝置內布局的自由度，所以可實現更小型化。
另一方面，即使改變透過型液晶顯示面板的有效畫面大小，也可僅通過改變照明光學系統的一部分和第一透鏡組，而仍可適用於同一形式的裝置。因此，可實現裝置開發效率高的投影光學單元。
由第一透鏡組22得到的放大像的倍率因所使用的圖像元件的有效畫面大小不同而可為2倍到7倍左右。為了將第一透鏡組到成像位置的距離限制在最佳範圍內，且在可製造範圍內設定第一和第二透鏡組的透鏡外形，在2倍到5倍之內更好。
另外，在圖5和圖6所示的本發明的實施例中，使第二透鏡組24的光軸相對第一透鏡組22的光軸向XZ平面上偏心，適當選擇該偏心量。由此，例如如圖1所示，可任意改變對於透過型屏幕6的偏心量。因此，即使是同一畫面大小也可自由改變裝置的形式，而大幅度提高設計的自由度。
圖7是表示在用於所述第一實施例的本發明的投影型彩色圖像顯示裝置中，使用透過型液晶面板來作為圖像顯示元件時的照明光學系統的配置圖。
由反射器31反射從作為白色光源的燈管30發出的白色光束而成為希望的光束後通過防爆玻璃33。該光束由蠅眼透鏡34分割，並通過偏光束分離器35成為單一偏振光。成為該單一偏光的分割光束在通過配置在相對位置上的蠅眼透鏡36和物鏡37放大投影到液晶面板(G)51、液晶面板(B)52、液晶面板(R)53上的同時相重合。因此，輸入到面板上的光束的能量分布均勻。另外，白光束通過配置在光路上的分色鏡38分離為紅色光束和藍綠色光束。紅色圖像光的色度通過分色鏡38的分光反射特性和設置在透鏡53』上的補償濾光器(trimmingfilter)的分光反射特性而提高色純度。
進一步，分色鏡39具有反射綠色區域的光的特性。另外，與紅色同樣，在透鏡51』中使用補償濾光器。最後殘留的藍色光束例如由設置在鏡子41、鏡子42或透鏡52』上的分色鏡的特性來分光藍色光束。通過設置UV截止濾色器的蠅眼透鏡34和透鏡44截止短波長側。
以上是使用透過型液晶面板來作為圖像顯示元件時的本發明的照明光學系統的分色部的說明。通過上述技術手段，將分色為紅、綠、藍的色光束入射到分別對應的透過型液晶面板53，51，52上，並根據圖像信號的振幅來調製射出的光束量(光量)。通過正交稜鏡27合成調製後的各色光束，並通過投影光學單元210放大投影到屏幕上。
圖8是表示在本發明的投影型彩色圖像顯示裝置中，使用透過型液晶面板來作為圖像顯示元件情況下的照明光學系統的另一實施例的配置圖。通過反射器31反射從作為白色光源的燈管30發射的白色光束，而成為收斂光束後通過防爆玻璃33。通過該防爆玻璃33後的光束，在光隧道(light funnel)61內部通過多次反射而分割，並通過偏光束分離器62成為單一偏振光。成為該單一偏振光的分割光束通過放大用透鏡63和透鏡64放大投影到液晶面板(G)51、液晶面板(B)52、液晶面板(R)53上的同時重合。因此，入射到面板的光束的能量分布均勻。下面配置的光學部件的作用效果與前述的圖7的照明光學系統的實施例相同，故在賦予同一附圖標記的同時，省略各自的說明。
上面，對於本發明的照明光學系統，說明使用透過型液晶面板的情況。即使在使用反射型液晶面板作為圖像顯示元件的情況下，在合成圖像後，當然也可適用本發明的投影光學單元。
如前所述，本發明的投影光學單元由於至少由兩組以上的透鏡組構成。由於物鏡組的位置可相對光路折返裝置配置在第二透鏡組側或第一透鏡組側，所以布局的自由度變大。但是，通過光路折返裝置將物鏡配置在第二透鏡組側時，構成物鏡組和第二透鏡組的各個透鏡的口徑變大，成本上升。另外，由於物鏡的透鏡面接近第一透鏡組的成像面，所以在物鏡的透鏡表面上粘附了異物的情況下，最終可能有損屏幕放大圖像的畫質。因此，在這種情況下，需要在設計上加以注意。
如上所述，本發明的投影光學單元由至少兩個以上的透鏡組構成，並如圖5和圖6所示，由於在作為圖像顯示元件的透過型液晶面板和第一透鏡組22間存在色合成用正交稜鏡27，所以必然第一透鏡組為負聚焦型。進一步，由於照明光學系統的光束大致平行，所以在遠心光學系統中，該第一透鏡組22的放大像在物鏡組23附近成像。
作為本發明的投影光學單元的實施例，圖9表示第一透鏡組22的透鏡數據，圖10表示透鏡的結構。圖10中，賦予各個透鏡的符號與圖9的透鏡面符號一致。圖9的Sa6面到Sa7面為正交稜鏡27(圖5和圖6)，第一透鏡組22為Sa8面到Sa18面，物鏡23為Sa20、Sa21面，第一成像位置為Sa21面，在圖10中表示為IMG。
圖11表示對於在光軸上成像的光束Φ1和在畫面區域中間成像的光束Φ2和在畫面周圍成像的光束Φ3和Φ4的光線追蹤結果。
圖16是為了表示根據作為本發明的投影光學單元的實施例所示的第一透鏡組的成像性能，將作為物面的面板大小設為0.7英寸、將高寬比設為16∶9情況下的成像面(IMG)的光斑圖。使為藍光的波長為450nm的光線，為綠光的波長為545nm的光線和為紅光的波長為625nm的光線重合來進行評價。本發明的投影光學單元將光線收斂為大小為50μm左右的光斑，所以可得到良好的性能。
接著，作為超廣角的本發明的投影光學單元的實施例，圖12表示第二透鏡組24的透鏡數據，圖13表示透鏡的結構。圖12中賦予各透鏡的附圖標記與圖12的透鏡面附圖標記一致。圖12中，Sb0面為第一透鏡組的成像面(IMG)、同時為第二透鏡組24的物面。
第二透鏡組24為Sb1面到Sb20面，為使表示透鏡面的非球面式和係數在該圖中聯合標記，使塑料非球面透鏡由Sb1、Sb2面和Sb15、Sb16面和Sb19、Sb20面6個面即3個透鏡構成。通常，根據照明光學系統的F值來決定第一透鏡組的F值，但是本發明的實施例中第一透鏡組的F值為3.0。另外，由於投影倍率為3倍，所以即使第二透鏡組的F值為9.0也可取得充分的光束。另外，由於第二透鏡組的F值大於9.0，所以50英寸投影時的最終面(Sb20面)到屏幕面的間隔(投影距離)為425mm，畫角為113度時，可實現超廣角的投影光學單元。
圖14表示對於在光軸上成像的光束Φ1和在畫面中間區域成像的光束Φ2和Φ3、在畫面周圍成像的光束Φ4和Φ5的光線追蹤結果。
圖17根據表示本發明的投影光學單元的第二透鏡組24的成像性能。該圖是物面為2.1英寸、高寬比為16∶9，並進一步將偏心量設為7∶1而增大物面情況下的屏幕面的光斑圖。使為藍光的波長為450nm的光線，為綠光的波長為545nm的光線和為紅光的波長為625nm的光線重合來進行評價。收斂為大小為30μm左右的光斑，所以得到了良好的性能。
圖15是使本發明的投影光學單元的第二透鏡組24的光軸、第一透鏡組22和物鏡23的光軸以偏心量L1來偏心(相對高高比16∶9的短邊為7∶1)配置的情況下的光線追蹤結果。另外圖18是作為本發明的投影光學單元的第一透鏡組的物面的面板大小為0.7英寸、高寬比為16∶9、第二透鏡組的物面(第一透鏡組的像面)為2.1英寸、高寬比為16∶9，進一步偏心量為7∶1而增大物面時的屏幕面的光斑圖。使為藍光的波長為450nm的光線、為綠光的波長為545nm的光線和為紅光的波長為625nm的光線重合來進行評價。本發明的投影光學單元是將光線收斂為光斑大小為1.8mm左右，所以得到了良好的性能。
如上所述，在採用了本發明的投影光學單元的投影型彩色圖像顯示裝置中，即使縮短到反射屏的距離也可得到充分的放大倍率，而可看到喜歡動人的畫面。進一步，通過在背投型彩色圖像顯示裝置中使用本發明的投影光學單元，即使是一個折返鏡子也可實現小型化的裝置。
另外，本發明的投影光學單元並不限於背投型彩色圖像顯示裝置，當然也可適用於從屏幕前面投影的前投型彩色圖像顯示裝置。
如上所述，根據本發明的投影光學單元，即使高倍率化也可同時實現裝置的小型化所需的超廣角化和高聚焦化。另外，即使改變所使用的圖像顯示元件的有效畫面大小，也可通過改變投影光學單元的一部分來進行對應，所以在採用該裝置的彩色圖像顯示裝置或背投型彩色圖像顯示裝置中，可對隨裝置大小的擴展、圖像顯示元件的有效顯示區域的改變的機型擴展降低開發成本，而得到從來沒有過的很多優點。如上面所說明的，根據本發明，可實現裝置的小型化。
權利要求
1.一種投影光學單元，將由圖像顯示元件顯示的圖像放大投影到屏幕上，其特徵在於，包括具有正折射能力的第一透鏡組，配置在圖像顯示元件到屏幕的光路間，形成第一放大像；和具有正折射能力的第二透鏡組，位於該第一透鏡組的屏幕側，並進一步放大由所述第一透鏡組得到的第一放大像，並在所述屏幕上形成第二放大像，其中，所述第一放大像在比所述第二透鏡組還位於圖像顯示元件側的位置處成像。
2.根據權利要求1所述的投影光學單元，其特徵在於所述該第一放大像的倍率M1小於所述第二放大像的倍率M2。
3.一種投影光學單元，將由圖像顯示元件顯示的圖像放大投影到屏幕上，其特徵在於，包括在圖像顯示元件到屏幕的光路上沿所述圖像的光前進方向按順序配置的具有正折射能力的第一透鏡組；和具有正折射能力的第二透鏡組，進一步放大由該第一透鏡組得到的第一放大像，其中，所述第一透鏡組與圖像顯示元件側大致為遠心關係，所述第一放大像在比所述第二透鏡組還位於圖像顯示元件側的位置處成像，所述第二透鏡組的畫角在90度以上。
4.根據權利要求3所述的投影光學單元，其特徵在於在所述第一透鏡組和所述第二透鏡組之間配置具有正折射能力的物鏡組，所述第一放大像成像在所述物鏡組附近。
5.根據權利要求4所述的投影光學單元，其特徵在於所述第一放大像在比所述物鏡組還位於所述第一透鏡組側的位置處成像。
6.根據權利要求4所述的投影光學單元，其特徵在於在所述第二透鏡組和物鏡組之間配置光路折返裝置。
7.根據權利要求4所述的投影光學單元，其特徵在於所述光路折返裝置包括全反射鏡。
8.根據權利要求4所述的投影光學單元，其特徵在於所述光路折返裝置包括稜鏡元件。
9.根據權利要求3所述的投影光學單元，其特徵在於使所述第二透鏡組的光軸相對所述第一透鏡組的光軸偏移。
10.一種投影光學單元，將由圖像顯示元件顯示的圖像放大投影到屏幕上，其特徵在於，包括在圖像顯示元件到屏幕的光路上沿所述圖像的光前進方向按順序配置的具有正折射能力的第一透鏡組；和具有正折射能力的第二透鏡組，進一步放大由該第一透鏡組得到的第一放大像，其中，構成為可替換所述第一透鏡組整體或者其一部分的透鏡元件。
11.根據權利要求10所述的投影光學單元，其特徵在於在改變了所述圖像顯示元件的有效畫面尺寸的情況下，替換所述第一透鏡組整體或其一部分的透鏡元件，以維持第一放大像的絕對尺寸和通過所述第二透鏡組在屏幕上形成的第二放大像的絕對尺寸。
12.一種投影光學單元，將由圖像顯示元件顯示的圖像放大投影到屏幕上，其特徵在於，包括在圖像顯示元件到屏幕的光路上沿所述圖像的光前進方向按順序配置的具有正折射能力的第一透鏡組；和具有正折射能力的第二透鏡組，進一步放大由該第一透鏡組得到的第一放大像，其中，由所述第二透鏡組形成的到屏幕上的第二放大像相對所述圖像顯示元件為正立像的關係。
13.一種投影型彩色圖像顯示裝置，包括發射紅、綠、藍三原色光束的光源；根據所輸入的圖像信號的振幅在每個像素調製所述光束的光強度的圖像顯示元件；和投影光學單元，將由所述圖像顯示元件調製後的光束放大投影到屏幕上；其中，所述投影光學單元構成為，使得在從所述圖像顯示元件到所述屏幕上的光路內至少得到兩次以上的放大像。
14.一種投影型彩色圖像顯示裝置，包括白色光源；光束分光器，將從該白色光源發射的可見光束分光為紅、綠、藍三原色；多個圖像顯示元件，分別對應於來自光束分光器的三原色光束設置、並根據所輸入的圖像信號的振幅，分別對每個像素調製該三原色光束的光強度；光合成器，合成通過該多個圖像顯示元件調製過的光束；和投影光學單元，將由該光合成器合成的光束放大投影到屏幕上，其中，所述投影光學單元構成為，使得在從所述圖像顯示元件到所述屏幕上的光路內至少得到兩次以上的放大像。
15.根據權利要求14所述的投影型彩色圖像顯示裝置，其特徵在於所述投影光學單元包括在從所述圖像顯示元件側向屏幕側順序配置的、將由所述圖像顯示元件調製的光束成像到第一成像位置處作為放大像的第一透鏡組；配置在所述第一成像位置附近的物鏡組；和第二透鏡組，將成像到所述第一成像位置處的放大像再次放大投影到所述屏幕上。
16.根據權利要求14所述的投影型彩色圖像顯示裝置，其特徵在於使用超高壓水銀燈、氙氣燈、金屬滷化物燈的其中之一來作為所述白色光源。
17.一種背投型彩色圖像顯示裝置，包括圖像顯示元件；屏幕；和投影光學單元，放大由所述圖像顯示元件顯示的圖像，並從所述屏幕的背面進行投影，其特徵在於，所述投影光學單元包括用於形成第一放大像的、具有正折射能力的第一透鏡組；和具有正折射能力的第二透鏡組，位於該第一透鏡組的屏幕側，並進一步放大由所述第一透鏡組得到的第一放大像，並在所述屏幕上形成第二放大像，其中，所述第一放大像在比所述第二透鏡組還位於圖像顯示元件側的位置處成像。
18.根據權利要求17所述的投影光學單元，其特徵在於所述第一放大像的倍率M1小於所述第二放大像的倍率M2。
19.一種背投型彩色圖像顯示裝置，包括圖像顯示元件；屏幕；和投影光學單元，放大由所述圖像顯示元件顯示的圖像，並從所述屏幕的背面進行投影，其特徵在於，所述投影光學單元包括沿所述圖像的光前進方向按順序配置的具有正折射能力的第一透鏡組；和具有正折射能力的第二透鏡組，進一步放大由該第一透鏡組得到的第一放大像，其中，所述第一透鏡組與圖像顯示元件側大致為遠心關係，所述第一放大像在比第二透鏡組還位於圖像顯示元件側的位置處成像，所述第二透鏡組的畫角在90度以上。
20.據權利要求17或19所述的投影型彩色圖像顯示裝置，其特徵在於所述第一透鏡組配置為相對所述屏幕畫面水平方向大致平行。
21.根據權利要求17或19所述的投影型彩色圖像顯示裝置，其特徵在於所述圖像顯示元件根據所輸入的圖像信號對每個像素調製從光源發射的三原色光束，並通過光路折返鏡反射來自所述投影光學單元的光束而從所述屏幕的背面進行投影。
22.一種背投型彩色圖像顯示裝置，包括圖像顯示元件；屏幕；和投影光學單元，放大由所述圖像顯示元件顯示的圖像，並從所述屏幕的背面進行投影，其特徵在於所述投影光學單元包括第一單元，將圖像光束導入畫面水平方向；鏡，將通過該第一單元導入的圖像光束折返到與畫面水平方向正交的方向；和第二單元，將通過該鏡折返的圖像光束投影到所述屏幕上並形成放大像。
全文摘要
本發明提供投影光學單元和投影型彩色圖像顯示裝置和使用該投影光學單元的背投型彩色圖像顯示裝置，大幅度縮短投影光學單元的投影距離，同時實現小型化裝置的高聚焦。本發明的投影透鏡裝置包含第一透鏡組和第二透鏡組，將由最接近於圖像顯示元件配置的第一透鏡組形成的第一放大像(倍率M1)暫時成像在比第二透鏡組還位於圖像顯示元件側的位置。通過所述第二透鏡組將該第一放大像放大投影到屏幕上(倍率為M2，M2＞M1)。在第一透鏡組和所述第二透鏡組間配置有正折射能力的物鏡組(23)。因作為第二透鏡組的F值F2和作為第一透鏡組的F值的F1的關係為F2＝F1/M1，故可實現畫角超過90度的超廣角化。
文檔編號G03B21/10GK1580854SQ20041004552
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月28日 優先權日2003年8月11日
發明者平田浩二, 加藤修二, 谷津雅彥, 中島努, 池田英博 申請人:株式會社日立製作所