專利名稱：投影用透鏡裝置和使用該裝置的背投式圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及放大投影作為圖像發(fā)生源的投影管上的圖像的投影用透鏡裝置，和使用該裝置的背投式圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
作為背投式圖像顯示裝置中使用的投影用透鏡裝置，已知有使用一塊具有最強(qiáng)的正折射力的玻璃透鏡(以下稱該透鏡為功率透鏡(power lens))和5塊具有非球面的塑料透鏡的所謂6塊結(jié)構(gòu)的裝置。作為這種6塊結(jié)構(gòu)的投影用透鏡裝置的先前技術(shù)，在日本特開平9-159914號公報、日本特開平9-90219號公報、日本特開平11-344668號公報等中已有說明。
如上所述，投影用透鏡裝置，作為功率透鏡都使用SCHOTT公司的商品名為SK5(折射率約為1.59，Abbe數(shù)為61.3)的高分散、低折射率的球面玻璃透鏡。這種高分散、低折射率玻璃透鏡，由于與SCHOTT公司的商品名為SK16(折射率約為1.62，Abbe數(shù)大約為60.3)的低分散、高折射率的玻璃透鏡比較價格較低，因此可以低的成本制造投影用透鏡裝置。然而，在使用高分散、低折射率的球面玻璃透鏡的情況下，不但很難得到所希望的折射力，而且發(fā)生的像差量也會增加。因此，在使用低分散、高折射率的玻璃透鏡作為功率透鏡的情況下，如上述日本特開平9-159914號公報、日本特開平9-90219號公報、日本特開平11-344668號公報所述那樣，通過作成5塊非球面的塑料透鏡，增加具有非球面的透鏡面數(shù)，可以良好地進(jìn)行像差的校正。
然而，上述特開平9-159914號公報、日本特開平9-90219號公報、日本特開平11-344668號公報所述的裝置，為了得到短的焦點距離和得到所希望的像差校正能力，配置在功率透鏡的圖像發(fā)生源側(cè)的像差校正用的塑料透鏡(第四透鏡)要配置為非常接近功率透鏡。因此，當(dāng)將透鏡裝配在鏡筒中時，因為兩者發(fā)生物理上的干涉，存在裝配效率不好、生產(chǎn)率低的問題。日本特開平9-159914號公報所述的結(jié)構(gòu)，由于第四透鏡的外邊緣部作成相對于功率透鏡突出的形狀，因此，在透鏡的外邊緣部上，更容易產(chǎn)生與功率透鏡的物理干涉。另外，日本特開平9-90219號公報和日本特開平11-344668號公報所述的結(jié)構(gòu)，從其透鏡數(shù)據(jù)的記載可看出，在功率透鏡和第四透鏡的光軸附近的面間隔在1mm以下，并且由于第四透鏡全體凸向功率透鏡，因此，在光軸附近，兩者更容易產(chǎn)生物理干涉。
這樣，在使用一塊功率透鏡和5塊塑料透鏡的6塊結(jié)構(gòu)的透鏡中，在防止特別是裝配時透鏡彼此的物理干涉時，提高生產(chǎn)效率很重要。
另外，在投影用透鏡裝置中，還要求提高對比度。一般地，作為投影用透鏡裝置的透鏡性能，重視投影透鏡的像差校正能力。但是，作為背投式圖像顯示裝置的圖像質(zhì)量，表示圖像的白黑比的對比度的提高在判斷透鏡性能是否良好這點上為重要的要素。為了實現(xiàn)對比度的提高，為此必需將凹凸透鏡配置在可能的范圍內(nèi)離開作為圖像發(fā)生源的投影管的圖像顯示面和凹面凹向配置在最接近圖像發(fā)生源的位置上的屏幕的凹凸透鏡的射出面的面間距離的位置上，使投影用透鏡裝置內(nèi)的各個透鏡組的反射光(不需要的光)不回到原圖像上，進(jìn)一步擴(kuò)寬該凹凸透鏡的射出面上的反射光的發(fā)散角。然而，在配置凹凸透鏡使與圖像顯示面的面間距離在可能的范圍內(nèi)離開的情況下，由于從投影管發(fā)出的角度不同的多個入射光在相同的透鏡范圍內(nèi)重疊入射，這樣，進(jìn)行良好的像差校正困難，因此要求更高度的像差校正能力。然而，在上述日本特開平9-159914號公報、日本特開平9-90219號公報、日本特開平11-344668號公報的結(jié)構(gòu)中，很難將校正能力進(jìn)一步提高，很難提高對比度也困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮上述問題而提出的，其第一個目的是要提供一種在背投式圖像顯示裝置的投影用透鏡裝置中，可以提高生產(chǎn)率的技術(shù)。
第二個目的是要提供在背投式圖像顯示裝置的投影用透鏡裝置中，可以抑制從透鏡發(fā)出的反射光的對比度降低的技術(shù)。
為了達(dá)到上述第一個目的，在本發(fā)明中，作為配置在上述功率透鏡的圖像發(fā)生源側(cè)的像差校正用的透鏡，使用具有凹向屏幕側(cè)的負(fù)的折射力的凹凸透鏡；并且，
使上述凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡面為從其光軸向著與外緣之間的規(guī)定點曲率增大、從該規(guī)定點向著外緣曲率減小的非球面形狀。即在本發(fā)明中，使上述凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡的面的外緣附近的曲率，比從該凹凸透鏡的光軸與上述外緣之間的規(guī)定區(qū)域的曲率小。
采用上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，由于上述凹凸透鏡凹向屏幕，而且其屏幕側(cè)透鏡面的外緣部的曲率變小(即，屏幕側(cè)透鏡面作成不但向著屏幕側(cè)突出，而且為返回圖像發(fā)生源的形狀)，因此，在包含光軸的中心部部分和外緣部兩者中，功率透鏡和凹凸透鏡難以產(chǎn)生物理干涉。另外，由于本發(fā)明的凹凸透鏡作成的上述形狀，可加強(qiáng)使從通過外緣部的圖像發(fā)生源發(fā)出的圖像光向著內(nèi)側(cè)(透鏡的光軸方向)的光學(xué)作用。因此，可以使該凹凸透鏡離開功率透鏡配置，另外由于即使這樣離開配置，仍可減小功率透鏡入射面的圖像光的入射角，因此可以很好地進(jìn)行像差校正。另外，通過加強(qiáng)圖像光向著內(nèi)側(cè)的光學(xué)作用，可以減少功率透鏡的口徑。
另外，在本發(fā)明中，在使用廉價的低折射率的光學(xué)玻璃作為功率透鏡的同時，在連續(xù)配置了該功率透鏡的像差校正用的凹凸透鏡中，可以使用與其他透鏡組相同的塑料材料(例如PMMA(折射率為1.49，Abbe數(shù)為58)，CR-39(折射率為1.50，Abbe數(shù)為58)，TPX(折射率為1.466，Abbe數(shù)為61)等)。這樣，可以形成更復(fù)雜14次以上的非球面形狀，增加周邊的非球面量，有效地校正入射在功率透鏡上的光，由此可維持良好的像差校正能力，并可降低成本。
另外，在本發(fā)明中，將位于功率透鏡的屏幕上的透鏡作成其周邊部局部地具有強(qiáng)的正的放大率的透鏡，可以具有收束通過周邊部的光線的作用。這樣，可以分擔(dān)功率透鏡的射出面的收束作用，減少像差。由于這樣，通過增多周邊部的非球面量，使變曲點為2個，可以很好地校正圖面周邊的像差。
另外，為了達(dá)到上述第二個目的，在本發(fā)明中，當(dāng)配置在最接近圖像發(fā)生源的位置的包含凹的凹凸透鏡的負(fù)透鏡焦距為f6，該凹的凹凸透鏡的射出面與圖像發(fā)生源的熒光玻璃面的距離為d時，滿足
-7.62＜f6/d＜-5.86
的關(guān)系。采用這種結(jié)構(gòu)，由于可以調(diào)整在上述凹的凹凸透鏡射出面上產(chǎn)生、返回圖像發(fā)生源的反射光返回至圖像發(fā)生源的光路，因此反射光寬廣，可以減少每一個面積的強(qiáng)度。因此，采用本發(fā)明，可以抑制由凹的凹凸透鏡的射出面反射并返回圖像發(fā)生源的熒光面的反射光所產(chǎn)生的對比度降低。
采用本發(fā)明可以提高生產(chǎn)率，降低成本，另外，可以抑制對比度降低，從而得到高的圖像質(zhì)量。
本發(fā)明的其他目的、特征為優(yōu)點，從以下結(jié)合附圖的本發(fā)明的實施例說明中可以了解。


圖1為表示本發(fā)明的一個實施例的投影用透鏡裝置的截面圖2為表示本發(fā)明的一個實施例的投影用透鏡裝置的截面圖3為表示本發(fā)明的一個實施例的投影用透鏡裝置的截面圖4為表示本發(fā)明的一個實施例的投影用透鏡裝置的截面圖5為表示作為投影型圖像裝置的背投式圖像顯示裝置的主要部分在圖面垂直方向的截面圖6為表示提高對比度的圖7說明透鏡形狀的定義所用的說明圖8說明透鏡形狀的定義所用的說明圖9為本發(fā)明的實施例表示的表1的投影用透鏡裝置的MTF特性圖10為本發(fā)明的實施例表示的表2的投影用透鏡裝置的MTF特性圖11為本發(fā)明的實施例表示的表3的投影用透鏡裝置的MTF特性具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明的實施例。各圖中，共同部分用相同的符號表示。
圖1為表示本發(fā)明的一個實施例的投影用透鏡裝置的透鏡的主要部分的截面圖。第一組透鏡1、第二組透鏡2、第三組透鏡3、第四組透鏡4和第五組透鏡5裝配在內(nèi)鏡筒9中，用固定螺釘12固定在外鏡筒10上。另外，通過固定板13將該外鏡筒10用螺釘(沒有示出)擰緊固定在托架11上。利用上述透鏡組將作為物體面的投影管熒光面P1上的圖像放大，投影在透過型的屏幕14上。在本發(fā)明的實施例中，第六組透鏡6的焦點距離包含投影管面板8、冷卻液7、投影管熒光面P1進(jìn)行計算。
圖2為表示在本發(fā)明的一個實施例的投影用透鏡裝置的結(jié)構(gòu)和光線追跡的結(jié)果。在表1中表示具體的透鏡數(shù)據(jù)。圖3、圖4為表示第一個實施例的另一個例子的投影用透鏡裝置的結(jié)構(gòu)的圖。表2，3表示具體透鏡數(shù)據(jù)。在圖2-圖4所示的投影用透鏡裝置的結(jié)構(gòu)中，省略了透鏡鏡筒的其他結(jié)構(gòu)零件的說明。
本發(fā)明的實施例的投影用透鏡裝置，在投影管熒光面P1上顯示5.2英寸的光柵，在屏幕上放大投影至60英寸時，可得到最好的性能，實現(xiàn)寬廣的畫角。
其次，說明圖5。圖5為在使用上述投影用透鏡裝置的情況下的背投式圖像顯示裝置的一個例子。在圖5中，投影用透鏡裝置16由托架11和作為光源的投影管17作成一體，從投影用透鏡裝置16投影的圖像光束18由光路折返反射鏡15反射，到達(dá)透過型屏幕14，映出圖像。在投影式電視裝置中一個折返反射鏡15可以作成十分緊湊的裝置。上述投影用透鏡裝置16，托架11，投影管17放置在框體19的內(nèi)部中。
在表1-表20中，表示從本發(fā)明的投影用透鏡裝置中取得的具體的透鏡數(shù)據(jù)。
表1-表20
表1
F＝85.2431mm Fno＝1.00
表2f＝85.3584 Fno＝0.99
表3f＝85.2015mm Fno＝0.99
表4F＝84.4798mm Fno＝0.98
表5
f＝84.3512mm Fno＝0.98
表6 f＝84.1587mm Fno＝0.98
表7 f84.3577mm Fno＝0.98
表8 f＝84.4154mm Fno＝0.98
表9 f＝85.3248mmFno＝0.99
表10 f＝85.3328mm Fno＝0.99
表11 f＝85.3128mmFno＝0.99
表12
f85.0425mm Fno＝0.99
表13
f85.1658mm Fno＝1.00
表14
f＝85.2399mmFno＝1.00
表15
f＝85.2423mm Fno＝1.00
表16
f85.2761mm Fno＝1.00
表17
f＝85.130mmFno＝1.00
表18
f＝85.245mm Fno＝1.00
表19
f＝84.946mm Fno＝1.00
表20 f＝85.473mm Fno＝1.00
其次，以表1為基礎(chǔ)，參照圖1和圖2說明透鏡數(shù)據(jù)的讀取方法。表1主要表示將數(shù)據(jù)分成處理光軸附近的透鏡區(qū)域的球面系和其外周部上的非球面系。
首先，屏幕14的曲率半徑為無限大(即平面)，從屏幕14至第-組透鏡的面S1的光軸上的距離(面間隔TH)為1034.0mm，在其間存在的媒質(zhì)的折射率nd(相對鈉d線λ＝588nm的折射率)為1.0，另外，透鏡面S1的曲率半徑Rd為72.268mm(曲率中心為圖像發(fā)生源)，透鏡面S1和S2在光軸上的距離(面間隔TH)為8.0mm，其間存在的媒質(zhì)的折射率為1.49以下。同樣，最后投影管面板8的熒光面P1的曲率半徑為350mm(曲率中心為屏幕側(cè))，投影管面板在光軸上的厚度(面間隔為TH)為14.1mm，折射率為1.56。第一組透鏡1的面S1、S2；第二組透鏡2的面S3、S4；第四組透鏡4的面S7、S8；第五組透鏡5的面S9、S10；第六組透鏡的面S11表示非球面系數(shù)。另外，第i組透鏡和相鄰的第j組透鏡在光軸上的面間距離用以下符號Lij表示，其中i＜j。另外，屏幕14和第一組透鏡1在光軸上的面間距離，當(dāng)以屏幕的面為S0時，用L01表示。
這里，所謂非球面系數(shù)為用下式(1)表現(xiàn)透鏡面的形狀時的系數(shù)。
式1
式中K，A，B，C，D，E，F(xiàn)為任意常數(shù)，
n為任意自然數(shù)
Rd為近軸曲率半徑。
從作為透鏡形狀的定義的說明圖的圖7和圖8可看出，Z(r)表示取從屏幕向著圖像發(fā)生源的光軸方向為Z軸，取透鏡的半徑方向為r軸時的透鏡面的高度。r表示半徑方向的距離，Rd表示曲率半徑。因此，如果給出K，A，B，C，D，E，F(xiàn)等各個系數(shù)，根據(jù)上式可確定透鏡面的高度(以下稱為“下垂量”)(即形狀)。
圖8為非球面As(r)的說明圖。如果將各自的值代入上述非球面項中，則得到從球面系(在式(1)的第一項中K＝0時)的透鏡面Ss(r)(圖7)偏離(As(r)-Ss(r)))的透鏡面。另外比率As(r)/Ss(r)(以下稱該比率為“非球面比率”)的絕對值越小，則非球面的程度越強(qiáng)。在上述非球面式的二次微分值為0的任意的r位置上，存在面的傾斜方向變化的變曲點，該變曲點越多，則非球面形狀越復(fù)雜。以下透鏡面Si的非球面量As(r)用Asi表示，球面量Ss(r)用Ssi表示，非球面比率As(r)/Ss(r)用Asi/Ssi或Ai表示。
以上就是表1所示數(shù)據(jù)的讀取方法。在表2～表20中表示與另一個實施例對應(yīng)的數(shù)據(jù)，其讀取方法相同。
其次，說明本發(fā)明的投影用透鏡裝置的各個透鏡組的作用。
如圖2、圖3、圖4所示，第一組透鏡1的中心部分為在屏幕側(cè)凸的新月形形狀，周邊部分為凹形狀。對從投影管熒光面P1軸上的物點A發(fā)出的圖像光束(上限光線RAY1，下限光線RAY2)，校正球面像差，對從投影管熒光面P1的畫面周邊的物點B發(fā)出的圖像光束(上限光線RAY3，下限光線RAY4)，校正慧形像差。在下限光線RAY4通過的地方附近(離開屏幕側(cè)透鏡面的光軸的透鏡周邊部)，在屏幕側(cè)形成凹的非球面形狀。
如圖2、圖3、圖4所示，第二組透鏡2的中心部分作成在圖像發(fā)生源側(cè)成凸的形狀，周邊部分的離開圖像發(fā)生源透鏡面的光軸的透鏡周邊部分作成在屏幕側(cè)具有從凸變?yōu)榘嫉淖兦c的非球面形狀，具有局部正的折射率。另外，如表23所示，使與第一組透鏡1、第三組透鏡3的面間距離L12、L23的關(guān)系在以下范圍內(nèi)，可以平衡地保持面間隔距離，可以抑制入射在周邊部的光線重疊產(chǎn)生的像差，校正非點像差或慧形像差。
0.22＜(L23/L12)＜0.37 (2)
表23
L12-第一組透鏡和第二組透鏡的面間間隙距離。
L23-第二組透鏡和第三組透鏡的面間間隔距離。
L34-第三組透鏡和第四組透鏡的面間間隔距離。
A8-第四組透鏡圖像發(fā)生源透鏡面的非球面量/球面量。
為了減小由溫度變化引起的聚焦性能的漂移，將第三組透鏡3作成玻璃，而且盡量增大正的折射力。另外，在實施例中，為了降低投影透鏡的制造成本，使用作為廉價的光學(xué)玻璃的SK5(SCHOTT公司的玻璃材料商品名)
第四組透鏡4的中心部分在屏幕側(cè)作成凹的形狀，相對于從軸上的物點A發(fā)出的圖像光束(上限光線RAY1，下限光線RAY2)，在透鏡周邊部分的屏幕一側(cè)為凹的形狀下，進(jìn)行球面像差校正。從表1中可看出，在本實施例中，與其他的非球面透鏡同樣，第四組透鏡4由折射率大約為1.49、Abbe數(shù)在57以上的低分散材料(例如PMMA)制成。由于PMMA流動性好，成形容易，當(dāng)利用它制成第四組透鏡4時，容易增加其周邊部分的非球面量。因此，如表23所示，可將周邊部分的非球面比率A8(＝AS8/SS8)和與第三組透鏡3的面間距離L34的關(guān)系設(shè)置在下述式(3)的范圍內(nèi)。
5.31＜A8/L34＜12.57(3)
另外，本發(fā)明的第四組透鏡4，作成凹向屏幕一側(cè)的新月形形狀。屏幕側(cè)的透鏡面S7作成其曲率隨著從光軸向著該光軸與外緣之間的規(guī)定點慢慢地增大，而且曲率隨著從該規(guī)定點向著外緣慢慢地減小的非球面形狀。即在包含上述規(guī)定點的規(guī)定區(qū)域中，使曲率比包含光軸的中心部分更大，作成凹形狀(即彎曲)，再從該處，向著外緣使曲率減小，在該外緣附近，減緩彎曲的程度(即平緩地)。這樣，本發(fā)明的第四組透鏡4的屏幕側(cè)透鏡面，不是其外緣部相對于第三組透鏡3突出的形狀，而是返回至作為圖像發(fā)生源的投影管17側(cè)的形狀。因此，裝配時(當(dāng)將透鏡裝配在鏡筒9中時)，在包含光軸的中心部分和包含外緣的周邊部分上，第三組透鏡3和第四組透鏡4互相不發(fā)生物理干涉，從而裝配容易。另外，在本實施例中，當(dāng)以透鏡的有效直徑的1/2為相對半徑1.0時，上述規(guī)定點大概在0.90-0.95范圍內(nèi)。即在本實施例中，在離光軸(相對半徑0)的相對半徑0.90-0.95區(qū)域中曲率增大，在離開該處至相對半徑1.0(外緣)上，曲率減小，上述表1-表20所述的各例子的第四組透鏡4的上述規(guī)定點的具體數(shù)值表示在表34中。表34所示的規(guī)定點表示通過將表1-表20所示的透鏡數(shù)據(jù)代入上述式(1)中得出的曲線(透鏡形狀)的傾斜最小的點。
表34
表34
另外，本發(fā)明的第四組透鏡4由于其包含屏幕側(cè)透鏡面的外緣的周邊部分的非球面量(SS8-AS8)增加，可以在包含該外緣的周邊部分上具有放大率。因此，可以調(diào)節(jié)從各個畫面角度入射在第三組透鏡3上的光的方向，可以減小色像差。另外，由于在周邊部分上具有放大率，可增強(qiáng)使通過第四組透鏡4的圖像光向著內(nèi)側(cè)(光軸方向)的光學(xué)作用。這樣，可抑制入射在第三組透鏡3的入射面(S6)上的圖像光的入射角的增大，使從畫面的各個角度入射在第三組透鏡上的光線難以重疊，因此可以抑制像差的產(chǎn)生。因此，即使增大第三組透鏡3和第四組透鏡4的間隔，也可以很好地校正像差。換句話說，利用第四組透鏡4的結(jié)構(gòu)，可抑制像差的增大，并可以擴(kuò)大第三組透鏡3和第四組透鏡4的間隔。另外，如表1-表20所述，在本實施例中，第三組透鏡3和第四組透鏡4的面間角大約為4.77-7.13mm。如果，該面間隔至少在4.0mm以上，則容易避免裝配時的上述物理干涉，可以提高生產(chǎn)率的效果。
如上所述，由于使用折射率大約為1.49、Abbe數(shù)據(jù)在57以上的便宜的低分散材料(例如PMMA)作為第四組透鏡4的塑料材料，因此與取塑料材料為聚碳酸酯比較，可以降低成本。
又如圖2、圖3、圖4所示，第五組透鏡5校正在從畫面周邊部的物點B發(fā)出的圖像光束(上限光線RAY3，下限光線RAY4)中產(chǎn)生的高次慧形像差。由于這樣，在上限光線RAY3通過的地方附近，為了補(bǔ)充第四組透鏡4不足的折射力，如表32所示，可使下限光線RAY3，通過地方附近的非球面比率AS10/SS10(＝A10)在以下范圍內(nèi)。
0.55≤AS10/SS10≤-0.03(4)
另外，通過使透鏡面S10的周邊的凹的形狀平緩，可以選擇與第六組透鏡6的周邊(コバ)的間隔。這樣，在調(diào)整焦點時，可以移動所需多的距離，擴(kuò)大有效畫面尺寸的寬度(45英寸-75英寸)。在本實施例中，利用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)從第一組透鏡1的屏幕側(cè)透鏡面至透過型屏幕的距離為L01(mm)，屏幕的有效對角長度M(英寸)時，如表24所示，滿足下式(5)的關(guān)系。
17.0＜(L/M)＜17.4(5)
在表24中，帶有下標(biāo)45的面間距離L01和有效對角長度M為有效最小畫面尺寸為45英寸情況下的數(shù)據(jù)，帶有下標(biāo)75的面間距離L01和有效對角長度M為有效最大畫面尺寸為75英寸情況下的數(shù)據(jù)。
表24
表24
L01(45)從位于有效最小畫面下的第一組透鏡1的屏幕側(cè)的透鏡至透過型屏幕的距離(mm)；
L01(75)從位于有效最大畫面下的第一組透鏡1的屏幕上的透鏡至透過型屏幕的距離(mm)；
M45有效最小畫面尺寸(45英寸)，
M75有效最大畫面尺寸(75英寸)。
第六組透鏡6與投影管熒光面P1一起，進(jìn)行像面彎曲的校正。如圖2、圖3、圖4所示，由于投影管熒光面P1為球面熒光面，與光軸附近的折射力比較，第六組透鏡6的屏幕側(cè)透鏡面S11的非球面形狀可以作成在與光軸附近的折射力相比，來自畫面的周邊部的物點B的圖像光束(上限光線RAY3，下限光線RAY4)通過的區(qū)域中折射力變?nèi)醯男螤睿梢酝瑫r進(jìn)行非點像差的校正。
下面利用圖6說明對比度變差的主要原因。圖6為詳細(xì)地表示從圖1所示的結(jié)構(gòu)的投影管至第六組透鏡的圖。在圖6中，第六組透鏡6為在距離d的位置，固定在托架11上的結(jié)構(gòu)。與圖1相同的部分用相同的符號表示，省略說明。
如圖6所示，在這種結(jié)構(gòu)中，從投影在投影管(陰極射線管)熒光面P1的原圖像的點發(fā)出的光束RAY5、RAY6、RAY7，由第六組透鏡6的射出面S11反射。反射光RAY5′、RAY6′、RAY7′返回至投影在投影管(陰極射線管)熒光面P1上的原圖像的低亮度部分上，使對比度降低。對比度用投影在投影管(陰極射線管)熒光面P1上的原圖像的高亮度部分和低亮度部分的比率表示。如果上述反射光RAY5′、RAY6′、RAY7′的能量越強(qiáng)，則低亮度部分的亮度越高，從而使對比度降低。返回上述低亮度部分的反射光與上述距離d和第六組透鏡6的焦距有關(guān)系。焦距越短，則第六組透鏡6的形狀越緊湊。這樣，反射角度θ擴(kuò)大。即通過上述距離d和反射角度的平衡，可以調(diào)節(jié)反射光的返回寬度，構(gòu)成最優(yōu)的返回寬度。
即，如表22所示，從投影管面板8的射出面S13至第六組透鏡6的屏幕側(cè)透鏡面S11的距離d和第六組透鏡6的焦距f6，滿足下述式(6)。這樣，可以提高對比度。另外，從裝置安裝評價結(jié)果可看出，當(dāng)取先前的透鏡的對比度為100(1.0)時，本結(jié)構(gòu)透鏡中為109(1.1)，對比度提高約10％。
-7.62＜f6/d＜-5.86(6)
表22
f6-第六組透鏡的焦距(mm)；
d-從圖像發(fā)生源的射出面至第六組透鏡的屏幕側(cè)透鏡面的距離。
A8-第四組透鏡圖像發(fā)生源的透鏡面的非球面量/球面量。
另外，除了上述提高對比度以外，還可將吸收從投影在投影管(陰極射線管)熒光面P1上的原圖像的點發(fā)出的光束RAY5、RAY6、RAY7的主波長以外的波長選擇性濾光器加在第六組透鏡6上。這樣，可以吸收圖像質(zhì)量所不需要的光譜成分，可以降低反射光RAY5′、RAY6′、RAY7′的強(qiáng)度效果，同時，可以抑制色像差的發(fā)生。當(dāng)然，使冷卻液7具有波長選擇性濾光器的效果也可以，使第六組透鏡6和冷卻液7二者都具有也可以。
其次，在圖9-圖11中表示使用上述的本發(fā)明的投影用透鏡裝置，在投影管熒光面上，映出5.2英寸的光柵，在屏幕上放大投影(60英寸)的情況下的MTF(Modulation Transfer Function)的聚焦性能的評價結(jié)果。
圖9為與表1對應(yīng)的特性圖，圖10為與表2對應(yīng)的特性圖，圖11為與表3對應(yīng)的特性圖。另外，作為評價頻率，表示在屏幕上取500TV根作為白、黑的條紋信號的情況。為了得到高對比度性能，不但MTF值要高，在SAGI、MERI各個圖像角上，數(shù)值必需接近。如圖9-圖11所示，采用本結(jié)構(gòu)在500TV根上，SAGI、MERI方向的MTF值相差10％以下，可得到良好的MTF特性。
在表1-表20所示的本發(fā)明的實施例中，當(dāng)投影用透鏡裝置全系統(tǒng)的焦距為f0，第一組透鏡1、第二組透鏡、第三組透鏡、第四組透鏡、第五組透鏡和第六組透鏡的焦距分別為f1、f2、f3、f4、f5、f6時，從表示透鏡的放大率分配的表21可看出，下述式(7)所示的關(guān)系成立。
0.29＜f0/f1＜0.33(7)
0.00＜f0/f2＜0.01
0.81＜f0/f3＜0.83
-0.09＜f0/f4＜-0.04
0.25＜f0/f5＜0.30
-0.70＜f0/f6＜-0.64
表21
表21
f0-透鏡全系統(tǒng)的焦距(mm)
f1-第一組透鏡的焦距(mm)
f2-第二組透鏡的焦距(mm)
f3-第三組透鏡的焦距(mm)
f4-第四組透鏡的焦距(mm)
f5-第五組透鏡的焦距(mm)
f6-第六組透鏡的焦距(mm)
在本實施例中，由于利用作為玻璃透鏡的第三組透鏡3分組投影用透鏡裝置全系統(tǒng)的正折射力的大部分，因此可減少聚焦性能的溫度漂移。另外，由于第四組透鏡4的材質(zhì)使用低折射材料，可由第五透鏡的折射力放大率分擔(dān)其放大率的小足。
其次，參照圖7、圖8說明作為擔(dān)負(fù)像差校正作用的非球面塑料透鏡的第一組透鏡1、第二組透鏡2、第四組透鏡4、第五組透鏡5和第六組透鏡6的各個透鏡面(非球面)的形狀。從表1-表20可看出，在本發(fā)明中，可用14次以上表示的非球面構(gòu)成非球面塑料透鏡的非球面形狀。
如已說明的那樣，圖8表示當(dāng)取從屏幕向著圖像發(fā)生源的光軸方向為Z軸，取透鏡的半徑方向為r軸時的透鏡面的高度(下垂量)。在將Ss(r)，K，A，B，C，D，F(xiàn)等各個非球面系數(shù)代入式(1)中的情況下，當(dāng)使球面系統(tǒng)(即Rd)取As(r)時，如果將透鏡的有效半徑值代入r中，則可以求出表示非球面程度的非球面比率(用As/Ss的絕對值表示其程度，用±號表示方向).
在表25-表33中表示各個非球面透鏡的透鏡面的非球面比率和變曲點數(shù)。表25為第一組透鏡1的透鏡面S1，表26為第一組透鏡1的透鏡面S2，表27為第二組透鏡2的透鏡面S3，表28為第二組透鏡2的透鏡面S4，表29為第四組透鏡4的透鏡面S7，表30為第四組透鏡4的透鏡面S8，表31為第五組透鏡5的透鏡面S9，表32為第五組透鏡5的透鏡面S10，表33為第六組透鏡6的透鏡面S11的情況。
表25-表33
表25
表26
表27
表28
表29
表30
表31
表32
表33
如表28所示，在構(gòu)成投影透鏡裝置的透鏡組中，在第二透鏡組光的入射面S4上，在有效半徑內(nèi)，在二個地方以上有變曲點，而且如表25-表33所示，在表示非球面程度的非球面比率ASn/SSn中，下述式(8)成立。
0.23≤AS1/SS1≤0.33
0.66≤AS2/SS2≤0.89
-1.30≤AS3/SS3≤-1.17
-0.02≤AS4/SS4≤-0.01
1.31≤AS7/SS7≤4.03(8)
28.28≤AS8/SS8≤67.77
-0.36≤AS9/SS9≤5.68
-0.55≤AS10/SS10≤-0.03
0.93≤AS11/SS11≤1.07
采用上述結(jié)構(gòu)，在擔(dān)負(fù)投影用透鏡裝置的像差校正作用的非球面塑料透鏡中，可得到充分的像差校正能力。
如上述，使用PMMA(折射率為1.49，Abbe數(shù)為58)作為折射率在1.5以下，Abbe數(shù)在57以上的非球面塑料透鏡的材料，但不是僅限于此，它只是一個基準(zhǔn)。例如，在PMMA以外，可以使用CR-39(折射率為1.50，Abbe數(shù)為58)，TPX(折射率為1.466，Abbe數(shù)為61)等。
如上所述，采用本發(fā)明可得到下列作用效果。第四組透鏡4(在功率透鏡的圖像發(fā)生源側(cè)與功率透鏡接著配置的像差校正用透鏡)作成凹向屏幕側(cè)的新月形形狀。屏幕側(cè)透鏡面S7作成其曲率隨著從光軸向該光軸與外緣之間的規(guī)定點而慢慢增大、隨著從規(guī)定點向著外緣曲率慢慢地減小的非球面形狀。因此，裝配時，包含光軸的中心部分和包含外緣的周邊部分上，第三組透鏡3和第四組透鏡4不互相發(fā)生物理干涉，從而裝配容易。另外，使用價格低的低折射率材料(例如PMMA材料)作為第四組透鏡4的基材，關(guān)于與此相伴折射率的降低，通過分擔(dān)分配作為位于圖像發(fā)生源上的非球面塑料透鏡的第五組透鏡上的折射力來解決，由此可以有效地降低成本。另外，由于本發(fā)明用的低折射率材料的流動性好，容易形成上述的非球面形狀，可得到用于進(jìn)行良好的像差校正的形狀。因此，如上所述，由于保持與作為功率透鏡的第三組透鏡3的距離，在裝配鏡筒時第三組透鏡3和第四組透鏡4沒有物理干涉，因此可提高生產(chǎn)性。
另外，本發(fā)明可以平衡地保持圖像發(fā)生源圖像顯示面和第六組透鏡6的射出面之間的距離與透鏡元件的焦距的關(guān)系。這樣，可減少每單位體積反射光的強(qiáng)度，實現(xiàn)高對比度。
這樣，如果具有本發(fā)明的投影用透鏡裝置，則可以在畫面的全部區(qū)域上得到明亮、高對比度、高聚焦、廣畫角、變形少的圖像，可以實現(xiàn)緊湊的背投式圖像顯示裝置。在與先前相同的6組6塊的結(jié)構(gòu)中，因為可以使用不會使聚焦性能變壞、便宜的玻璃透鏡、塑料透鏡，因此可以降低成本。
本發(fā)明不是僅限于上述實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求范圍內(nèi)，可作各種變更和修正。
權(quán)利要求
1.一種投影用透鏡裝置，具有用于將在圖像發(fā)生源上顯示的原圖像放大投影在屏幕上的多個透鏡，其特征為，所述多個透鏡包含
在該多個透鏡元件中具有最強(qiáng)的正折射力的功率透鏡；和
配置在該功率透鏡的圖像發(fā)生源側(cè)、具有凹向屏幕側(cè)的負(fù)的折射力的凹凸透鏡，
所述凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡面具有從其光軸向著與外緣之間的規(guī)定點曲率增大、從該規(guī)定點向著外緣曲率減小的非球面形狀。
2.一種投影用透鏡裝置，具有用于將在圖像發(fā)生源上顯示的原圖像放大投影在屏幕上的多個透鏡，其特征為，所述多個透鏡包含
在該多個透鏡元件中具有最強(qiáng)的正折射力的功率透鏡；和
在該功率透鏡的圖像發(fā)生源側(cè)與該功率透鏡連續(xù)配置、具有凹向屏幕側(cè)的負(fù)的折射力的凹凸透鏡，
所述凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡面的外緣附近的曲率，比從該凹凸透鏡的光軸與所述外緣之間的規(guī)定區(qū)域的曲率小。
3.如權(quán)利要求2所述的投影用透鏡裝置，其特征為，所述凹凸透鏡由Abbe數(shù)(νd)在57以上、折射率(nd)在1.500以下的相同的塑料材料構(gòu)成。
4.一種投影用透鏡裝置，具有用于將在圖像發(fā)生源上顯示的原圖像放大投影在屏幕上的多個透鏡，其特征為，所述多個透鏡包含從屏幕側(cè)按順序配置的
(a)有正的折射力、包含有其中心部分的形狀向屏幕側(cè)凸的凹凸透鏡的第一透鏡組；
(b)具有正的折射力、包含具有中心部分的形狀在圖像發(fā)生源側(cè)凸的透鏡面的第二透鏡組；
(c)包含具有最強(qiáng)的正折射力的功率透鏡的第三透鏡組；
(d)具有負(fù)的折射力，包含一個具有向屏幕側(cè)凹的透鏡面的凹凸透鏡的第四透鏡組；
(e)具有正的折射力，包含具有中心部分的形狀向圖像發(fā)生源側(cè)凸的透鏡面的透鏡的第五透鏡組；和
(f)具有向屏幕側(cè)凹的透鏡面，包含具有負(fù)的折射力的透鏡的第六透鏡組；
所述第四組透鏡中所包含的凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡面的、外緣附近的曲率，比從該凹凸透鏡的光軸與所述外緣之間的規(guī)定區(qū)域的曲率小。
5.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，所述第三透鏡組所包含的功率透鏡由玻璃構(gòu)成，除了該功率透鏡以外的第一、第二、第四、第五和第六透鏡組使用Abbe數(shù)(νd)在57以上、折射率(nd)在1.500以下的相同的塑料材料。
6.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，所述第四透鏡組中所含有的負(fù)的透鏡其圖像發(fā)生源側(cè)透鏡面的非球面量A8(球面量SS8/非球面量AS8)，相對于所述第三透鏡組和第四透鏡組的面間隔L34，有下列關(guān)系
5.31＜A8/L34＜12.57。
7.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，當(dāng)從所述圖像發(fā)生源的射出面至第六透鏡組的射出面的距離為d，該第六透鏡組的焦距為f6時，具有下列關(guān)系
-7.62＜f6/d＜-5.86。
8.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，當(dāng)所述第一透鏡組和第二透鏡組的透鏡面間隔為L12，所述第二透鏡組和第三透鏡組的透鏡面間隔為L23時，有下列關(guān)系
0.22＜(L23/L12)＜0.37。
9.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，當(dāng)所述第一透鏡組的焦距為f1，所述第二透鏡組的焦距為f2，所述第三透鏡組的焦距為f3，所述第四透鏡組的焦距為f4，所述第五透鏡組的焦距為f5，所述第六透鏡組的焦距為f6，投影用透鏡裝置整個系統(tǒng)的焦距為f0時，具有下列關(guān)系
0.29＜f0/f1＜0.33
0.00＜f0/f2＜0.01
0.81＜f0/f3＜0.83
-0.09＜f0/f4＜-0.04
0.25＜f0/f5＜0.30
-0.70＜f0/f6＜-0.64。
10.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，當(dāng)非球面量相對所述第一透鏡組的屏幕側(cè)透鏡面的球面量SS1為AS1、非球面量相對該第一透鏡組的圖像發(fā)生源側(cè)的球面量SS2為AS2、非球面量相對所述第二透鏡組的屏幕側(cè)透鏡面的球面量SS3為AS3、非球面量相對該第二透鏡組的圖像發(fā)生源側(cè)的球面量SS4為AS4、非球面量相對所述第四透鏡組的屏幕側(cè)透鏡面的球面量SS7為AS7，非球面量相對該第四透鏡組的圖像發(fā)生源側(cè)的球面量SS8為AS8、非球面量相對所述第五透鏡組的屏幕側(cè)透鏡面的球面量SS9為AS9、非球面量相對該第五透鏡組的圖像發(fā)生源側(cè)的球面量SS10為AS10、以及非球面量相對所述第六透鏡的屏幕側(cè)透鏡面的球面量SS11為AS11時，有下例關(guān)系
0.23≤AS1/SS1≤0.33
0.66≤AS2/SS2≤0.89
-1.30≤AS3/SS3≤-1.17
-0.02≤AS4/SS4≤-0.01
1.31≤AS7/SS7≤4.03
28.28≤AS8/SS8≤67.77
-0.36≤AS9/SS9≤5.68
-0.55≤AS10/SS10≤-0.33
0.93≤AS11/SS11≤1.07
11.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，所述第二透鏡組的圖像發(fā)生源側(cè)透鏡面上的變曲點為2個以上。
12.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，所述第三透鏡中所含的功率透鏡的透鏡材料的Abbe數(shù)(νd)在60以上，折射率(nd)在1.600以下。
13.如權(quán)利要求4所述的投影用透鏡裝置，其特征為，使用投影管作為所述圖像發(fā)生源，第六透鏡組包含具有凹面向著屏幕的透鏡面的、具有負(fù)的折射力的透鏡；用于冷卻所述投影管的冷卻液；和所述投影管的熒光面玻璃；該熒光面玻璃的曲率中心存在于屏幕側(cè)。
14.如權(quán)利要求9所述的投影用透鏡裝置，其特征為，在第六組的至少是透鏡元件或冷卻液中任何一個和兩者中，具有波長選擇性的濾光器作用。
15.一種投影用透鏡裝置，其特征為，具有用于將在圖像發(fā)生源上顯示的原圖像放大投影在屏幕上的多個透鏡，其特征為，
所述多個透鏡中，配置在最接近所述圖像發(fā)生源位置上的負(fù)透鏡包含凹向屏幕側(cè)的凹的凹凸透鏡，
當(dāng)從所述圖像發(fā)生源的射出面至所述凹的凹凸透鏡的射出面的距離為d，包含該凹的凹凸透鏡的負(fù)透鏡的焦距為f6時，有下列關(guān)系
-7.62＜f6/d＜-5.86。
16.一種背投式圖像顯示裝置，其特征為，包括
屏幕；
圖像發(fā)生源；和
具有用于將在該圖像發(fā)生源上顯示的原圖像放大投影在所述屏幕上的多個透鏡的投影用透鏡裝置，
所述投影用透鏡裝置具有的多個透鏡包含
在該多個透鏡元件中具有最強(qiáng)的正折射力的功率透鏡；和
配置在該功率透鏡的圖像發(fā)生源側(cè)、具有凹向屏幕側(cè)的負(fù)的折射力的凹凸透鏡，
所述凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡面具有從其光軸向著與外緣之間的規(guī)定點曲率增大、從該規(guī)定點向著外緣曲率減小的非球面形狀。
17.一種背投式圖像顯示裝置，其特征為，包括
屏幕；
圖像發(fā)生源；和
具有用于將在該圖像發(fā)生源上顯示的原圖像放大投影在所述屏幕上的多個透鏡的投影用透鏡裝置，
所述投影用透鏡裝置包含從屏幕側(cè)按順序配置的
(a)有正的折射力、包含有其中心部分的形狀向屏幕側(cè)凸的凹凸透鏡的第一透鏡組；
(b)具有正的折射力、包含具有中心部分的形狀在圖像發(fā)生源側(cè)凸的透鏡面的第二透鏡組；
(c)包含具有最強(qiáng)的正折射力的功率透鏡的第三透鏡組；
(d)具有負(fù)的折射力，包含一個具有向屏幕側(cè)凹的透鏡面的凹凸透鏡的第四透鏡組；
(e)具有正的折射力，包含具有中心部分的形狀向圖像發(fā)生源側(cè)凸的透鏡面的透鏡的第五透鏡組；和
(f)具有向屏幕側(cè)凹的透鏡面，包含具有負(fù)的折射力的透鏡的第六透鏡組；
所述第四組透鏡中所包含的凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡面的、外緣附近的曲率，比從該凹凸透鏡的光軸與所述外緣之間的規(guī)定區(qū)域的曲率小。
18.如權(quán)利要求17所述的背投式圖像顯示裝置，其特征為，當(dāng)從所述第一透鏡組的透鏡中的位于屏幕側(cè)的透鏡的屏幕側(cè)透鏡面，至所述屏幕的距離為L(mm)，所述透過型屏幕的有效對角長度為M(英寸)時，有下列關(guān)系
17.0＜(L/M)＜17.4。
全文摘要
本發(fā)明可在放大投影投影管上圖像的6組結(jié)構(gòu)的投影式透鏡裝置中降低成本且適當(dāng)保持設(shè)置在最接近功率透鏡的圖像發(fā)生源的非球面透鏡組與功率透鏡的距離，而不與功率透鏡發(fā)生物理干涉。使用具有凹向屏幕的負(fù)折射力的凹凸透鏡作為配置在功率透鏡(第三組透鏡)的圖像發(fā)生源的像差校正用透鏡(第四組透鏡)，將該凹凸透鏡的屏幕側(cè)透鏡面作成從其光軸向著與外緣間的規(guī)定點曲率增大、從該規(guī)定點向著外緣曲率減小的非球面形狀。在最接近玻璃功率透鏡的圖像發(fā)生源的第四組透鏡的基材上，使用價格低、流動性好，Abbe數(shù)(νd)在57以上、折射率(nd)在1.500以下的低折射率材料。
文檔編號G03B21/22GK1700048SQ20051000955
公開日2005年11月23日 申請日期2005年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月18日
發(fā)明者稻館由利子, 加藤修二, 池田英博, 小倉直之, 平田浩二 申請人:株式會社日立制作所