(57)【要約】  広角投映レンズが、少なくとも１つの非球面を有する、負の屈折力の第１のレンズ群を含む。広角投映レンズは、少なくとも４５°の半画角で像を出力でき、像には実質的に歪みがなく、ほとんど又は全くキーストーン補正を必要としない。広角投映レンズは、背面投射型または前面投射型ディスプレイ装置として実装可能な光学エンジンの一部となり得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）少なくとも１つの非球面を有する、負の屈折力の第１のレンズ群と、
（ｂ）屈折力が実質的に０である第２のレンズ群であって、第２のレンズ群の内部またはその近傍に開口絞りがある第２のレンズ群と、
（ｃ）正の屈折力の第３のレンズ群と、を含む広角投映レンズであって、
以下の条件（１）〜（３）を満足するようにした広角投映レンズ。
｜Ｆ１／Ｆ｜＜４．０    条件（１）
｜Ｆ２／Ｆ｜＞５０      条件（２）
｜Ｆ３／Ｆ｜＜３．５    条件（３）
ここで、Ｆは、前記広角投映レンズの焦点距離であり、Ｆ１は、前記第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、前記第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、前記第３のレンズ群の焦点距離である。
【請求項２】
前記レンズが背面投射型ディスプレイ装置に組み込まれている、請求項１に記載の広角投映レンズ。
【請求項３】
前記第１のレンズ群は、第１および第２のレンズ要素を含み、前記第２のレンズ要素は、その第２面に非球面を含むようにした請求項１に記載の広角投映レンズ。
【請求項４】
Ｆナンバーが約Ｆ／２．８以下である、請求項１に記載の広角投映レンズ。
【請求項５】
前記第１のレンズ群は、第１および第２のレンズ要素を含み、前記第１のレンズ要素の第２面の曲率半径が、前記第２のレンズ要素の第１面の曲率半径に実質的に等しい、請求項１に記載の広角投映レンズ。
【請求項６】
条件（１）が−３．５＜Ｆ１／Ｆ＜−２．３であり、条件（２）が−９５＜Ｆ２／Ｆ＜−８６であり、条件（３）が２．５＜Ｆ１／Ｆ＜３．２である、請求項１に記載の広角投映レンズ。
【請求項７】
約Ｆ／３．０以下の速度、かつ約９の有効焦点距離を有する、請求項１に記載の広角投映レンズ。
【請求項８】
前記第１のレンズ群は、第１のメニスカス形状のレンズ要素を含み、前記第１のメニスカス形状のレンズ要素が第２のメニスカス形状のレンズ要素と入れ子構造になっている、請求項１に記載の広角投映レンズ。
【請求項９】
照明システム、画像化システム、および広角投映レンズを含むディスプレイ装置用の光学エンジンであって、前記広角投映レンズは、少なくとも負の屈折力の第１のレンズ群を含み、かつ少なくとも１つの非球面を有し、前記広角投映レンズは、少なくとも約４５°の半画角で像を出力し、前記像には実質的に歪みがないようにした光学エンジン。
【請求項１０】
前記広角投映レンズは、少なくとも約５０°の半画角で像を出力する、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項１１】
前記広角投映レンズは、少なくとも約５５°の半画角で像を出力する、請求項１０に記載の光学エンジン。
【請求項１２】
映像サイズが少なくとも２５インチ（対角線で測定）であり、実質的にキーストーン補正を必要としない、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項１３】
映像フォーマットが、４×３フォーマットおよび１６×９フォーマットの一方である、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項１４】
前記光学エンジンが背面投射型ディスプレイ装置に組み込まれている、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項１５】
前記第１のレンズ群は、負の屈折力の第１のレンズ要素、および第２面に非球面を有する第２のレンズ要素を含み、前記第１のレンズ群の焦点距離と投影光学系の焦点距離との比（Ｆ１／Ｆ）が、−３．５＜Ｆ１／Ｆ＜−２．３の関係を有する、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項１６】
複数のレンズ要素を含み、前記第１のレンズ群に近接して配置された第２のレンズ群をさらに含み、前記第２のレンズ群の屈折力は実質的に０であり、前記第２のレンズ群の焦点距離と前記広角投映レンズの焦点距離との比（Ｆ２／Ｆ）が−９５＜Ｆ２／Ｆ＜−８６の関係を有する、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項１７】
前記広角投映レンズの前記開口絞りが、前記第２のレンズ群の周囲に位置している請求項１６に記載の光学エンジン。
【請求項１８】
正の屈折力を有し、前記第２のレンズ群に近接して配置された複数のレンズ要素を含む第３のレンズ群をさらに含み、前記第３のレンズ群の焦点距離と前記広角投映レンズの焦点距離との比（Ｆ３／Ｆ）が２．５＜Ｆ３／Ｆ＜３．２の関係を有する、請求項１６に記載の光学エンジン。
【請求項１９】
前記第１のレンズ群は、単一要素を含み、前記単一要素の第１面および第２面の少なくとも一方に非球面が形成されている、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項２０】
屈折力が実質的に０である第２のレンズ群であって、第２のレンズ群の内部またはその近傍に開口絞りがある第２のレンズ群と、
正の屈折力の第３のレンズ群と、をさらに含み、
以下の条件（１）〜（３）を満足するようにした請求項９に記載の光学エンジン。
｜Ｆ１／Ｆ｜＜４．０    条件（１）
｜Ｆ２／Ｆ｜＞５０      条件（２）
｜Ｆ３／Ｆ｜＜３．５    条件（３）
ここで、Ｆは、前記投影光学系の焦点距離であり、Ｆ１は、前記第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、前記第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、前記第３のレンズ群の焦点距離である。
【請求項２１】
前記第１のレンズ群は、負の屈折力の第１のレンズ要素と、全体にほぼ均一な厚さである第２のレンズ要素とを含む、請求項２０に記載の光学エンジン。
【請求項２２】
画像補正回路をさらに含む、請求項９に記載の光学エンジン。
【請求項２３】
（ａ）照明システム、
（ｂ）画像化システム、および
（ｃ）有効焦点距離の約２倍より大きい後方焦点距離、および約Ｆ／３．１以下の速度を有する投映レンズであって、実質的に歪みがなく、かつ実質的にキーストーン補正を必要としない像を生成する投映レンズ、を含む光学エンジンと、
キャビネットと、
前記キャビネットに支持され、前記像を受像するためのスクリーンと、
前記光学エンジンを収容するための基部と、を含む背面投射型ディスプレイ装置。
【請求項２４】
前記基部は、前記キャビネットおよびスクリーンを支持するようにした請求項２３に記載の背面投射型ディスプレイ装置。
【請求項２５】
前記キャビネットの深さが約７〜約１０インチである、請求項２３に記載の背面投射型ディスプレイ装置。
【請求項２６】
前記基部および前記キャビネットの少なくとも一方が、前記像を前記スクリーンに向けるために反射面をさらに含む、請求項２３に記載の背面投射型ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投映距離の短い応用に使用するための投映レンズおよびディスプレイ装置に関する。特に、投映レンズは、例えば、教育的、商業的、および家庭での使用のためのマルチメディアおよびディスプレイへの応用などの、前面投射型ディスプレイ装置と背面投射型ディスプレイ装置の両方に利用できる。さらに、本発明は、極端な軸外し像を生成でき、かつ実質的に歪みがなく、ほとんど又は全くキーストーン補正を必要としない像を生成する広角投映レンズを提供する投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子表示システムまたはビデオ表示システムは、ビデオまたは電子的に生成された像を表示可能な装置である。家庭用娯楽、広告、テレビ会議またはグループ会議に使用されるかどうかに関わらず、適切なディスプレイ装置に対する需要がある。
【０００３】
消費者が適切なディスプレイ装置を決定するのに使用する要素の１つは画質である。一般に、画質は、画像の解像度および画像の色などの要素によって質的に決めることができる。一部の消費者が画像サイズの大きなディスプレイ装置を望む場合、画質が劣ることがある。一般に、大きな画像サイズは、スクリーンの対角線に沿って測定したスクリーンサイズが約４０インチを超えるサイズのものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今日の市場では多くのディスプレイ装置が入手可能であるが、他の装置を開発する持続したニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態によれば、広角投映レンズは、（ａ）少なくとも１つの非球面を有する、負の屈折力の第１のレンズ群と、（ｂ）屈折力が実質的に０である第２のレンズ群と、（ｃ）正の屈折力の第３のレンズ群と、を含む。語句「屈折力が実質的に０」は、レンズのパワーが３％未満であることを意味する。投映レンズは、以下の３つの条件を満たす。すなわち、条件（１）Ｆ１／Ｆの比の絶対値が４．０未満である（すなわち、｜Ｆ１／Ｆ｜＜４．０）、条件（２）Ｆ２／Ｆの比の絶対値が５０より大きい（すなわち、｜Ｆ２／Ｆ｜＞５０）、および条件（３）Ｆ３／Ｆの比の絶対値が３．５未満である（すなわち、｜Ｆ３／Ｆ｜＜３．５）。これらの条件においては、Ｆは、広角投映レンズの焦点距離である。Ｆ１は、第１のレンズ群の焦点距離である。Ｆ２は、第２のレンズ群の焦点距離である。Ｆ３は、第３のレンズ群の焦点距離である。投映レンズの開口絞りは、第２のレンズ群の内部またはその近傍にある。前文においては、用語「近傍」は、第２のレンズ群の最後のレンズ要素の第２面までの開口絞りの距離と、投映レンズ軌跡（ｔｒａｃｋ）の距離との比が、約１／６５であることを意味する。第３のレンズ群は、レンズから遠方に絞りを結像するように配置されており、これは、レンズが像空間においてほぼテレセントリックであることを意味する。広角投映レンズは背面投射型ディスプレイ装置に使用できる。広角投映レンズは前面投射型ディスプレイ装置に使用することもできる。
【０００６】
別の実施形態においては、ディスプレイ装置は、照明システム、画像化システム、および投影光学系などの光学エンジンを含む。投影光学系は、少なくとも１つの非球面を有する、負の屈折力の第１のレンズ群を含む。投影光学系は、少なくとも４５°の半画角で像を出力し、この像には実質的に歪みがない。出力像のサイズは対角線で約２５インチ以上である。また、好ましい態様においては、この装置は実質的なキーストーン（ｋｅｙｓｔｏｎｅ）補正を必要としない。さらに、投射装置は、実質的に歪みのない像を投射する。実質的に歪みがないとは、歪みが２％以下であることを意味する。好ましい態様においては、歪みは１％以下であり、最も好ましくは０．５％以下である。これらの歪み値では、少なくとも大部分の撮像応用では、電子的な歪み補正を必要としない。
【０００７】
別の実施形態においては、背面投射型ディスプレイ装置は、光学エンジンを備え、これは（ａ）照明システム、（ｂ）画像化システム、および（ｃ）有効焦点距離の約２倍より大きい後方焦点距離、および約Ｆ／３．１以下の速度を有する投映レンズを含む。投映レンズは、実質的に歪みがなく、かつ実質的にキーストーン補正を必要としない像を生成する。背面投射型ディスプレイ装置は、キャビネットと、キャビネットに支持され、像を受像するためのスクリーンと、光学エンジンを収容するための基部と、を含む。
【０００８】
本明細書においては、用語「約」は、全ての数値を修飾するものと見なされる。
【０００９】
上述の本発明の概要は、それぞれ示す本発明の実施形態または実装例を全て説明するものではない。以下の図面および詳細な説明は、これらの実施形態をより詳細に例示するものである。
【００１０】
添付した図面は縮尺通りに描かれておらず、あくまで例示目的で描かれている。本発明には様々な変更形態および代替形態が考えられるが、その特定の具体例を一例として図面に示し、かつ詳細に説明している。しかしながら、本発明は、説明した特定の実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。これとは反対に、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲にある全ての変更例、等価物、および代替物を包含するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の例示的な実施形態は、投映距離の短い応用に使用するための投映レンズおよびディスプレイ装置を提供する。特に、投映レンズは、例えば、教育的、商業的、および家庭での使用のためのマルチメディアおよびディスプレイへの応用などの、前面投射型ディスプレイ装置および背面投射型ディスプレイ装置の両方に利用できる。さらに、本発明は、極端な軸外し像を生成でき、かつ実質的に歪みがなく、ほとんど又は全くキーストーン補正を必要としない像を生成する広角投映レンズを提供する投射装置に関する。
【００１２】
図１は、以下の構成要素の１つ以上を有する例示的な光学エンジン１０を示す概略図である。これらの構成要素は、照明システム１２または１２’、画像化システム１４、フォーカス機構１５、および投影光学系１６である。２つの別々の照明システム１２および１２’を示しているが、典型的には１つのみが使用される。照明システムが参照符号１２で示す位置にある場合には、使用する画像化装置（ｉｍａｇｅｒ）は、反射型画像化装置である。これとは対照的に、照明システムが参照符号１２’で示す位置にある場合には、使用する画像化装置は透過型画像化装置である。光学エンジンは、投影スクリーン１８または観察面に像を生成できる。視聴者と光学エンジンは、投影スクリーンの同一側にあるので、図１は、光学エンジン１０を使用する前面投射型ディスプレイ装置を示す。図３Ａおよび図３Ｂは、光学エンジン１１０を使用する背面投射型ディスプレイ装置を示す。光学エンジンにおける各要素は、以下詳細に説明する。
【００１３】
照明システム１２、１２’は、ランプユニット、フィルタ（赤外光および／または紫外光除去フィルタなど）、色分解手段、およびインテグレータを含むことができる。例示的な一実施形態においては、ランプユニットは、リフレクタおよびランプを含む。適切な市販のランプとしては（ｉ）オランダ国アイントホーフェンのフィリップス・セミコンダクタース社（Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ，Ｔｈｅ  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）からの、楕円リフレクタを使用するフィリップス（Ｐｈｉｌｉｐｓ）ＵＨＰ型ランプユニットと（ｉｉ）独国ミュンヘンのオスラム社（ＯＳＲＡＭ  ＧｍＢＨ，Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ）からのオスラム（ＯＳＲＡＭ）Ｐ−ＶＩＰ２５０ランプユニットが挙げられる。他の適切なランプおよびランプユニット構成も本発明において使用できる。例えば、メタルハライドランプまたはタングステンハロゲンランプまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用できる。本発明の実施形態において使用できるフィルタ、カラーホイール、およびインテグレータの種類は重要ではない。例示的な一実施形態においては、色分解手段は、画像化装置の光源における回転式の赤／緑／青（ＲＧＢ）カラーシーケンシャルディスクである。例示的な市販のカラーホイールは、リヒテンシュタイン国バルザースのユナクシス・バルザース社（ＵＮＡＸＩＳ  Ｂａｌｚｅｒｓ，ＬＴＤ，Ｂａｌｚｅｒｓ，Ｌｉｅｃｈｔｅｎｓｔｅｉｎ）からのユナクシス（ＵＮＡＸＩＳ）ＲＧＢＷカラーホイールである。液晶ＲＧＢカラーシーケンシャルシャッタも本発明の実施形態に使用できる。例示的な市販のインテグレータは、ユナクシス・バルザース社からの中空トンネル型インテグレータである。
【００１４】
画像化システム１４は画像化装置を含み、典型的には従来のエレクトロニクスも含む。本発明で使用できる有用な反射型画像化装置は、テキサス州ダラスのテキサス・インスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｄａｌｌａｓ，Ｔｅｘａｓ）から入手可能な、対角線の寸法が約２２ｍｍであるＸＧＡデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。代替的に、透過型または反射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を画像化装置として使用できる。例示的な光学エンジンの実施形態においては、画像化装置の表面は、投影スクリーンの表面に実質的に平行に位置決めされる。
【００１５】
いくつかの実装例では、手動あるいは電子的駆動機構の使用で調節可能な摺動式またネジ式のマウント（図示せず）に、後述する１つ以上のレンズを取り付けることにより焦点調整機構１５が得られる。例えば、焦点調整は、可変焦点レンズまたはズームレンズを使用することにより行うことができる。代替的には、光学エンジン１０と観察スクリーン１８との間に設定された所定の固定位置を有する投影ユニットあるいは背面投射型の応用においては、使用者の焦点調整は必要でない。
【００１６】
いくつかの実装例においては、スクリーン１８は、多層材料、例えば、米国特許第６，１７９，４２６号明細書に説明されているように構成された複数のフレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）要素を含んでもよい。スクリーンは、水平方向に広がる光分布を制御して、スクリーン前方に水平に位置する視聴者に提供するように設計できる。スクリーンの代替的な実施形態は、多層フィルム技術、デュアル輝度上昇フィルム（Ｄｕａｌ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｆｉｌｍ）（ＤＢＥＦ）技術、またはビキュイティ（ＶＩＫＵＩＴＩ）（商標）技術（全てミネソタ州セントポールの３Ｍ社（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓａｉｎｔ  Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）から入手可能）を含んでもよい。任意に、生成された像は、例えば、壁や他の構造など、いずれの表面上で、または標準的な観察スクリーン上で観察できる。
【００１７】
図２は、光学エンジン１０の投影光学系（ここでは「投映レンズ」または「広角投映レンズ」とも称される）の例示的な実施形態を示す。図２の投影光学系は、３つのレンズ群、すなわち、（出力側またはスクリーン側から特定して）第１のレンズ群（Ｇ１）、第２のレンズ群（Ｇ２）、および第３のレンズ群（Ｇ３）を含む。用語「スクリーン側」は、投影スクリーンに最も近い投映レンズの側を意味する。３つのレンズ群について以下詳細に説明する。本明細書で説明している技術分野の当業者には明らかであるように、より少数の、同じまたはより多数のレンズ要素を含む代替的な構成を含む投映レンズ１６の代替的な構成を採用することができる。
【００１８】
図２の例示的な投映レンズは、３つのレンズ群に合計１１個の要素を含み、スクリーン側から番号を付けている。第１のレンズ群（Ｇ１）は、スクリーン側から順番に、負の屈折力の第１のレンズ要素（Ｌ１）、および第２面に非球面を有する第２のレンズ要素（Ｌ２）を含むことができる。好ましくは、Ｇ１は負の屈折力である。Ｇ１におけるＦ１／Ｆの比は、−３．５＜Ｆ１／Ｆ＜−２．３であるようにできる。第２のレンズ群（Ｇ２）は、従来の接着剤を使用して付着または接着された３つのレンズ要素（Ｌ３）〜（Ｌ５）を含むことができる。好ましくは、Ｇ２は実質的に屈折力が０である。別の実施形態においては、Ｇ２は、屈折力をわずかに正とすることができる。別の実施形態においては、Ｇ２は、屈折力をわずかに負とすることができる。Ｇ２におけるＦ２／Ｆの比は、−９５＜Ｆ２／Ｆ＜−８６であるようにできる。この例示的な実施形態においては、開口絞りは第２のレンズ群Ｇ２の内部またはその近傍にある。第３のレンズ群（Ｇ３）は６つのレンズ要素（Ｌ６）〜（Ｌ１１）を含むことができる。好ましくは、Ｇ３は正の屈折力である。Ｇ３におけるＦ３／Ｆの比は、２．５＜Ｆ３／Ｆ＜３．２であるようにできる。図２に示すように、プリズムが、Ｌ１１の右側、すなわち、前面投射型の応用における投影スクリーンから最も遠くに位置している。上述の説明においては、Ｆは広角投映レンズの焦点距離であり、Ｆ１は、第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、第３のレンズ群の焦点距離である。
【００１９】
詳細には、第１のレンズ群Ｇ１は、好ましくは負の屈折力である。第１の実施形態においては、第１のレンズ群Ｇ１は複数のレンズ要素を含む。例えば、スクリーンに対して最も近くにある第１のレンズ要素（Ｌ１）が、３つのレンズ群の全てのレンズで最も大きな直径を有し得る。例示的な一実施形態においては、第１のレンズ群の第１のレンズ要素Ｌ１は、大きな領域に像を投射するのに充分大きな直径を有し、例えばほぼ歪みなしで、半画角は、スクリーンの方向に４５°より大きく、好ましくは５０°より大きく、最も好ましくは約５５°である。
【００２０】
別の例示的な実施形態においては、第１のレンズ群の第１のレンズ要素Ｌ１は、６０ｍｍより大きく、７５ｍｍ未満の直径を有する。さらに別の例示的な実施形態においては、第１のレンズ群の第１のレンズ要素は、約７０ｍｍの直径を有する。それゆえ、投射装置に実装された場合、第１のレンズ要素は、約１１０°〜約１２０°の視野を提供できる。
【００２１】
図２の実施形態においては、第１のレンズ群Ｇ１は、少なくとも１つの非球面を有する第２のレンズ要素（Ｌ２）をさらに含む。この例示的な実施形態の非球面は、歪み効果を削減するのに寄与しつつ、大きな視野を提供できる。一態様においては、第２のレンズ要素は、約１．４９の屈折率および約５７．２のアッベ数を有する光学ポリマー、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などから作製できる。非球面の形状は、以下の式で定義できる。
【数１】
2008534998.tif 000003
ここで、
Ｚは、光学系の光学軸からの距離ｒにおける表面サグであり、
ｃは、光学軸におけるレンズの曲率（単位：１／ｍｍ）であり、
ｒは、半径座標（単位：ｍｍ）であり
ｋは、円錐定数であり、
α２は、２次の項の係数であり、α４は、４次の項の係数であり、α６は、６次の項の係数であり、α８は、８次の項の係数であり、α１０は、１０次の項の係数である。
【００２２】
別の実施形態においては、第１のレンズ群の第１の要素の第２面の曲率半径は、第１のレンズ群の第２のレンズ要素の第１面の曲率半径と実質的に等しい。
【００２３】
一実施形態においては、第１のレンズ群Ｇ１は、入れ子になった２つのメニスカス形状のレンズ要素を含む。第１のメニスカス形状の要素はガラスで作製され、第２のメニスカス形状の要素はプラスチックで作製されており、プラスチック要素は厚さが制御されている。ＰＭＭＡなどのプラスチックが使用できる。２つの要素は、第１の要素の第２面と第２の要素の第１面との間の距離と、投映レンズの全体的な有効焦点距離との比が１／１７５であるように、離れている。
【００２４】
例示的な実施形態においては、第２の形状の要素は、全体にほぼ均一な厚さを有する非球面レンズ（例えば、少なくとも１つの非球面を有するレンズ）を含む。このドーム形状の設計によって、熱的問題を低減でき、かつ簡単に製造できるようになる。
【００２５】
代替的な実施形態においては、第１のレンズ群Ｇ１は、１つの一体化要素を形成するように、一緒に成形された２つの形状の要素を含むことができる。例えば、第１の形状の要素はガラス要素を含むことができ、第２の形状の要素は、第１の形状の要素の第２面の上に成形されたプラスチック（例えば、ＰＭＭＡ）要素を含むことができる。
【００２６】
別の代替例においては、第１のレンズ群Ｇ１は、非球面が第１面もしくは第２面または両面に形成された単一要素（例えば、単一のガラス要素）を含むことができる。
【００２７】
別の例示的な実施形態においては、第２のレンズ群Ｇ２は、実質的に０の屈折力とすることができる。第２のレンズ群は、複数のレンズ要素で形成できる。投映レンズ１６の開口絞りは、第２のレンズ群の内部またはその近傍に位置し得る。例えば、一実施形態においては、図２を参照して、開口絞りはＬ５の周囲に設けることができる。
【００２８】
例示的な実施形態においては、第２のレンズ群のレンズ要素全ては、球面を有することができる。例示的な一実施形態においては、第２のレンズ群Ｇ２は、接着された３枚構造（ｔｒｉｐｌｅｔ）を含んでおり、球面収差およびコマ収差を制御する。Ｇ１でのレンズ要素とＧ２でのレンズ要素との間の軸上間隔は、必要に応じて変更できる。
【００２９】
例示的な実施形態においては、第２のレンズ群Ｇ２は、長い有効焦点距離を提供する。さらに、例示的な実施形態においては、第２のレンズ群を構成する要素は、ガラスから形成される。
【００３０】
代替的な実施形態においては、第２のレンズ群Ｇ２として２枚構造（ｄｏｕｂｌｅｔ）が使用できる。この代替的な実施形態においては、２枚構造の要素の一方または両方が非球面を含むことができる。
【００３１】
別の例示的な実施形態においては、第３のレンズ群Ｇ３は正の屈折力とすることができ、このレンズ群のレンズ要素全てが球面を有することができる。例示的な実施形態においては、第３のレンズ群Ｇ３は色収差補正（すなわち、一次および二次分散補償）を提供する。例えば、レンズＬ７、Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１１は同じガラス材料、例えば、ＭＰ５２を含むことができる。あるいは、他のガラスを利用してもよい。
【００３２】
第３のレンズ群Ｇ３と画像化装置１４との間、例えば、スクリーン側から最も離れた位置に、プリズム（例えば、ＴＩＲプリズム、図示せず）を配置してもよい。あるいは、視野レンズを利用してもよい。
【００３３】
図２に示す実施形態における一例として、下記の表１は、出力またはスクリーン側からの面番号（面１は第１のレンズ要素Ｌ１のスクリーン側に最も近い面である）、各面の光学軸近傍の曲率（ｃ）（単位：１／ミリメートル）、面間の軸上間隔（Ｄ）（単位：ミリメートル）のリストであり、ガラスの種類も示している。当業者は、ガラスの種類から材料の屈折率およびアッベ数を決定可能であることを理解するであろう。面０は、物体表面または投影スクリーンの表面である。この実施形態においては、広角投映レンズは、全体の有効焦点距離が８．８ｍｍ、出力またはスクリーン側の方向における半画角が５５°であり、Ｆ／２．８で動作する。第１のレンズ群Ｇ１の有効焦点距離は−２５．４ｍｍであり、第２のレンズ群Ｇ２の有効焦点距離は−８００ｍｍであり、第３のレンズ群Ｇ３の有効焦点距離は２３．５ｍｍである。この例示的な実施形態においては、投映レンズの全軌跡は１３０ｍｍである。
【００３４】
図２の実施形態については、第１のレンズ群における第２のレンズ要素の第２面（表１の面４として示す）は、上記式Ｉに規定されるような非球面であり、以下の係数値を有する。すなわちｃ＝０．０９０１、ｋ＝−０．８９３８、α２＝０、α４＝１．９９×１０−５、α６＝−７．４６８×１０−８、α８＝３．５２３×１０−１０、α１０＝−５．９７０×１０−１３である。図２の実施形態の広角投映レンズの全軌跡距離は１３０ｍｍである。当業者は理解するように、前面投射型および背面投射型ディスプレイ応用など特定の応用においては、全軌跡距離が短いことが有利である。なぜなら、それによりコンパクトな投映レンズがもたらされるので、光学エンジン全体の空間要求を最小化できるからである。
【００３５】
【表１】
2008534998.tif 000004
【００３６】
下記の表２および３は、図２の実施形態の全般的なレンズのデータおよび面データの概要のリストである。
【００３７】
【表２】
2008534998.tif 000005
【００３８】
【表３】
2008534998.tif 000006
【００３９】
上記の表に提供されたデータは一例を表し、ここに説明する本発明の範囲を限定するものではない。
【００４０】
上述の光学エンジンを様々なプロジェクション応用に利用できる。例えば、いくつかの前面投射型の応用が、関連した米国特許出願第１１／００３，２５２号明細書に説明されており、参照により、その全体が本明細書に援用される。
【００４１】
例示的な背面投射型の応用においては、図３Ａおよび図３Ｂは、背面投射型ディスプレイ装置１００の側面図および等角図をそれぞれ示す。例示的な実施形態においては、ディスプレイ装置１００は、および上述の投影光学系１６と同様な広角投映レンズを含む、上述の光学エンジン１０と同様な光学エンジン１１０を含む。
【００４２】
背面投射型ディスプレイ装置１００は、基部１０２、キャビネット１０４、およびスクリーン１０６を含む。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、背面投射型ディスプレイ装置をリアプロジェクションテレビとして実装できる。他の実装例としては、大きな（例えば、対角線が４０インチ以上）画像を１人以上の視聴者に提供できる商業的および教育的なディスプレイ装置が挙げられる。
【００４３】
基部１０２は、光学エンジン１１０などの構成要素、ならびに電源、制御電子回路、オーディオ部品、およびコネクタパネル（簡略化のために図示せず）を収容でき、その１つ以上が光学エンジン１１０に連結可能である。基部１０２は、ディスプレイ装置１００に構造的な支持を提供するように構成することもできる。さらに、光学エンジン１１０の設計によっては、基部は、鏡１１２などの反射面をさらに含むことができる。それは光学エンジン１１０から投映された像を、スクリーン１０６へ、および／またはキャビネット１０４に収容された反射面または鏡１１４などの追加した１つまたは複数の反射面へ導くことができる。背面投射型ディスプレイ装置１００に使用される反射面（または鏡）１１２、１１４は、例えば、第１の表面の鏡、反射フレネル面（または複数のフレネル面）、または別の高反射材料として構成できる。本明細書で説明している技術分野の当業者には明らかなように、１つ以上の反射面を本明細書で説明する光学エンジンと共に用いて、スクリーン１０６に映像を提供できる。
【００４４】
キャビネット１０４は、上述したように１つ以上の反射面を収容するように構成できる。さらに、キャビネット１０４は、観察スクリーン１０６を支持できる。観察スクリーン１０６は、４×３フォーマット、または１６×９フォーマットなどの１種以上の異なる画像フォーマットを提供するように構成できる。
【００４５】
映像（例えば、図３Ａに図示される仮想線の例を参照）が映されるスクリーン１０６は、映像のサイズおよびフォーマットに基づいてサイズおよび形状が変更可能である。スクリーン構成に関して、例えば、スクリーン１０６は、米国特許第６，１７９，４２６号明細書に説明されているように構成された多層材料、例えば、複数のフレネル要素を含んでもよい。スクリーンは、水平方向に広がる光分布を制御して、スクリーン前方に水平に位置する視聴者に提供するように設計できる。スクリーンの代替的な実施形態は、多層フィルム技術、デュアル輝度上昇フィルム（ＤＢＥＦ）技術、またはビキュイティ（商標）技術（全てミネソタ州セントポールの３Ｍ社から入手可能）を含んでもよい。
【００４６】
上述のように、光学エンジン１１０は、図１に関して上述した光学エンジン１０と同様の方法で構成でき、上述の投影光学系１６と同様な広角投映レンズを含むことができる。さらに、光学エンジン１１０は、照明システムおよび上述と同様な画像化システムを含むことができ、異なる基部およびキャビネット設計を収容するように構造的に構成できる。
【００４７】
例えば、光学エンジン１１０は、用いる画像化装置または照明システムのタイプに応じて、Ｖ字形状の配置、Ｕ字形状の配置、またはＬ字形状の配置を有することができる。広角／短投映タイプの光学エンジン１１０は、大きな視野、すなわち、４５°より大きく、好ましくは５０°より大きく、最も好ましくは約５５°の半画角で像を提供できるので、キャビネット１０４の深さ（ｘ）は、従来の背面投射型ディスプレイ装置よりも削減できる。例えば、キャビネット１０４の深さ（ｘ）は約５インチ〜約１５インチ、好ましくは約７インチ〜約１２インチ、より好ましくは約７インチ〜約１０インチである。本明細書での説明から理解できるように、キャビネット１０４の深さ（ｘ）は、スクリーンの対角線のサイズおよび画像フォーマットなどの要因に基づいて変更できる。
【００４８】
例示的な実施形態においては、光学エンジン１１０は、例えば、ＤＬＰ、ＬＣＤ、またはＬＣＯＳ技術を用いた画像化装置または画像デバイスを含むことができる。例示的な一実施形態においては、光学エンジンは、４×３フォーマットを有する像を提供できる。別の例示的な実施形態においては、光学エンジンは、適切な画像化装置を用いて１６×９フォーマットなどの異なるスクリーンフォーマットを提供するように実装できる。さらなる例示的な実施形態においては、照明システムは、上述と同様の方法で、例えば、ランプユニット（アークランプまたは他のタイプのランプなど）から構成できる。代わりに、光学エンジン１１０の照明システムは、レーザ方式のまたはＬＥＤ方式のシステムなどの固体素子システムを用いることができる。
【００４９】
代わりに、光学エンジンは、補正回路（例えば、従来のＷＡＲＰチップ）と共に実装でき、これは投映距離が短くても十分な画質をもたらす。
【００５０】
さらに、光学エンジンは、ほとんど又は全くキーストーン補正を必要とせずに、歪みを低減するように設計される。例えば、映像の歪み値は、２％以下、好ましくは１．０％以下、より好ましくは０．５％以下にできる（例えば、ここで歪み（ｄ）は、ｄ＝（Ｈ−ｈ）／ｈ×１００で決定できる。ここで、ｈは近軸の像の高さであり、Ｈは実際の像の高さである。））
【００５１】
この例示的な光学エンジンを用いて、あまり複雑でないＴＩＲ部品を利用できるので、低コスト、薄型キャビネットの背面投射型ディスプレイ装置設計を達成することができる。大きなサイズ（例えば、４０インチより大きい（対角線））の像が、短い距離および極端に軸外しの位置において得られるとともに、ディスプレキャビネットを比較的薄く保つことができる。さらに、ここで説明した光学エンジンは実質的に歪みがなく、ほとんど又は全くキーストーン補正を必要としない。
【００５２】
代替的な実施形態においては、背面投射型ディスプレイ装置は、壁取り付け型または天井吊り下げ型の実装例として設計できる。ここでは、基部部分は、光学エンジンおよび他の電子回路を収容するように実装され、スタンドとして装置を支持する必要がない。
【００５３】
当業者は、本発明が様々な異なる光学部品を使用してもよいことを理解するであろう。本発明を、例示的な好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲を逸脱せずに、本発明を他の特定の形態で実施してもよい。従って、ここで説明し、かつ図示した実施形態はあくまで例示を目的とするものであり、本発明の範囲を限定するものと考えるべきでないことを理解すべきである。本発明の範囲に従って、他の変形形態および変更形態も構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明において使用可能な例示的な光学エンジンの概略図である。
【図２】本発明において使用可能な例示的な投影光学系の概略図である。
【図３Ａ】例示的な実施形態による背面投射型ディスプレイ装置の側面図を示す。
【図３Ｂ】例示的な実施形態による背面投射型ディスプレイ装置の等角図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年4月1日(2008.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）少なくとも１つの非球面を有する、負の屈折力の第１のレンズ群と、
（ｂ）屈折力が実質的に０である第２のレンズ群であって、第２のレンズ群の内部またはその近傍に開口絞りがある第２のレンズ群と、
（ｃ）正の屈折力の第３のレンズ群と、をスクリーン側から順番に含む広角投映レンズであって、
以下の条件（１）〜（３）を満足するようにした広角投映レンズ。
｜Ｆ１／Ｆ｜＜４．０    条件（１）
｜Ｆ２／Ｆ｜＞５０      条件（２）
｜Ｆ３／Ｆ｜＜３．５    条件（３）
ここで、Ｆは、前記広角投映レンズの焦点距離であり、Ｆ１は、前記第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、前記第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、前記第３のレンズ群の焦点距離である。
【請求項２】
（ａ）照明システム、
（ｂ）画像化システム、および
（ｃ）有効焦点距離の約２倍より大きい後方焦点距離、および約Ｆ／３．１以下の速度を有する投映レンズであって、実質的に歪みがなく、かつ実質的にキーストーン補正を必要としない像を生成する投映レンズ、を含む光学エンジンであって、
該光学エンジンは、前面投射型ディスプレイ装置での投映ヘッドの一部であり、
前記投映レンズは、第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、第３のレンズ群とを含み、
第１のレンズ群は、第１および第２のレンズ要素を含み、
前記第２のレンズ要素は、その第２面に非球面を含むようにした光学エンジン。
【請求項３】
前面投射型ディスプレイ装置のための光学エンジンであって、
照明システム、画像化システム、および広角投映レンズを含み、
前記広角投映レンズは、少なくとも負の屈折力の第１のレンズ群を含み、かつ少なくとも１つの非球面を有し、
前記広角投映レンズは、少なくとも約５０°の半画角で像を出力し、前記像には実質的に歪みがなく、
前記投映レンズは、第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、第３のレンズ群とを含み、
第１のレンズ群は、第１および第２のレンズ要素を含み、
前記第２のレンズ要素は、その第２面に非球面を含むようにした光学エンジン。
【請求項４】
前面投射型ディスプレイ装置であって、
照明システム、画像化システム、および投映光学系を含む光学エンジンであって、投映光学系は、負の屈折力の第１のレンズ群を含み、かつ少なくとも１つの非球面を有し、少なくとも約４５°の半画角で像を出力し、前記像には実質的に歪みがないようにした光学エンジンと、
該光学エンジンを支持するための可動部材とを備え、
可動部材は、光学エンジンを観察面に対して垂直な方向に移動するように構成され、
可動部材は、観察面から、互いに異なる第１の距離および第２の距離で延長可能であり、
第１のレンズ群から観察面までの距離と投影した像のサイズとの比が、約１から１．８〜２．２である前面投射型ディスプレイ装置。
【請求項５】
前面投射型ディスプレイ装置であって、
照明システム、画像化システム、および投映光学系を含む光学エンジンであって、投映光学系は、負の屈折力の第１のレンズ群を含み、かつ少なくとも１つの非球面を有し、少なくとも約４５°の半画角で像を出力し、前記像には実質的に歪みがないようにした光学エンジンと、
該光学エンジンを支持するための部材とを備え、
光学エンジンは、観察面に対して垂直な方向に移動可能なように構成され、
光学エンジンは、観察面から、互いに異なる第１の距離および第２の距離で位置決め可能であり、
第１のレンズ群は、負の屈折力の第１のレンズ要素、および第２面に非球面を有する第２のレンズ要素を含み、前記第１のレンズ群の焦点距離と投映光学系の焦点距離との比（Ｆ１／Ｆ）が、−３．５＜Ｆ１／Ｆ＜−２．３の関係を有し、
光学エンジンは、複数のレンズ要素を含み、前記第１のレンズ群に近接して配置された第２のレンズ群をさらに含み、
前記第２のレンズ群の屈折力は実質的に０であり、前記第２のレンズ群の焦点距離と前記広角投映レンズの焦点距離との比（Ｆ２／Ｆ）が−９５＜Ｆ２／Ｆ＜−８６の関係を有するようにした前面投射型ディスプレイ装置。
【請求項６】
空気冷却器、スピーカーおよび焦点調整機構の少なくとも１つを含む請求項４または５記載の前面投射型ディスプレイ装置。
【請求項７】
第１のレンズ群から観察面までの距離が１ｍ未満であり、投影した像のサイズが少なくとも４０インチ（対角線で測定）である請求項４または５記載の前面投射型ディスプレイ装置。
【請求項８】
広角投映レンズのＦナンバーが、約Ｆ／２．８以下である請求項２または３記載の光学エンジン。
【請求項９】
広角投映レンズの前記第１のレンズ群は、第１および第２のレンズ要素を含み、前記第１のレンズ要素の第２面の曲率半径が、前記第２のレンズ要素の第１面の曲率半径に実質的に等しい請求項２または３記載の光学エンジン。
【請求項１０】
投映レンズは、第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、第３のレンズ群とを含み、
第１のレンズ群は、第１のメニスカス形状のレンズ要素を含み、前記第１のメニスカス形状のレンズ要素が第２のメニスカス形状のレンズ要素と入れ子構造になっている請求項２または３記載の光学エンジン。
【国際調査報告】
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