JP2000347153A

JP2000347153A - 投射型映像表示装置

Info

Publication number: JP2000347153A
Application number: JP11160550A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Yamazaki; 太志山崎; Shigeru Mori; 繁森; Masaharu Deguchi; 雅晴出口; Yutaka Matsuda; 裕松田; Takuya Shiaki; 卓也仕明; Tsutomu Nakajima; 努中島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】投射型映像表示装置の小型化と明るさおよび高
画質、高性能化の両方を達成する必要があり、いかに効
率よく高画質で高性能な投射型映像表示装置を供給する
ことが課題である。【解決手段】投射型映像表示装置の第一および第二のレ
ンズアレイの光軸方向の位置関係を調整可能とし、集光
レンズの枚数、あるいは複数とした場合は各レンズのパ
ワー配分を変更して映像表示素子への最適な入射角度を
実現している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶パネルあるい
は反射式映像表示素子などのライトバルブ素子を使用し
て、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、
液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ
装置、液晶テレビジョン、投射型ディスプレイ装置等の
映像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネル等のライトバルブ素子に、電
球などの光源からの光を当てて、液晶パネル上の画像を
拡大投射する液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置
が知られている。

【０００３】この種の映像表示装置は、光源からの光を
ライトバルブ素子で画素毎の濃淡に変えて調節し、スク
リーンなどに投射するものである。例えば、液晶表示素
子の代表例であるツイステッド・ネマティック(TN)型液
晶表示素子は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間
に液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方
向が互いに90°異なるように２枚の偏光板を配置したも
のであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させ
る作用と、偏光板の偏光成分の選択作用とを組み合わせ
ることにより、入射光の透過光量を制御して画像情報を
表示するようになっている。近年、こうした透過型ある
いは反射型の映像表示素子では、素子自体の小型化が進
むとともに、解像度等の性能も急速に向上している。

【０００４】このため、該映像表示素子を用いた表示装
置の小型高性能化も進み、単に従来のようにビデオ信号
等による映像表示を行うだけでなく、パーソナルコンピ
ュータの画像出力装置としての投射型映像表示装置も新
たに提案されている。この種の投射型映像表示装置に
は、特に、小型であることと、画面の隅々まで明るい画
像が得られることが要求される。しかし、従来の投射型
映像表示装置は、大型であったり、また最終的に得られ
た画像の明るさ、画質等の性能が不十分であるといった
問題があった。

【０００５】例えば、液晶表示装置全体の小型化には、
ライトバルブすなわち液晶表示素子自体の小型化が有効
であるが、液晶表示素子を小型化すると液晶手段による
被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束
量に対する液晶表示素子を小型化すると照明手段による
被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束
量に対する液晶表示素子上の光束量の比率（以下、これ
を光利用効率という）が低くなり、また、画面周辺部が
暗い等の問題が生じる。さらに、液晶表示素子は一方向
の偏光光しか利用できないため、ランダムな偏光光を発
する光源からの光の約半分は利用されない。

【０００６】画面周辺部で明るい画像を得る手段として
は、例えば、特開平３−１１１８０６号公報に記載され
ているような、２枚のレンズアレイを用いたインテグレ
ータ光学系がある。インテグレータ光学系は、光源から
の光を第一のレンズアレイを構成している複数の矩形開
口形状の集光レンズによって分割して、各矩形開口形状
の出射光を各矩形開口形状の集光レンズに対応した集光
レンズ群により構成した第二のレンズアレイにより照射
面（液晶表示素子）に重畳結像させるものである。この
光学系では液晶表示素子を照射する光の強度分布をほぼ
均一にすることができる。

【０００７】一方、光源からのランダムな偏光光を一方
向の偏光方向に揃えて液晶表示素子に照射する光学系と
しては、特開平４−６３３１８号公報に開示されている
ような偏光ビームスプリッターを利用して、光源から出
射するランダムな偏光光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離し
てプリズムを用いて合成するものがある。

【０００８】前記、インテグレータ光学系においては、
映像表示素子を周辺部までかけることなく照射する必要
があるため、第１のレンズアレイの像を第２のレンズア
レイ、あるいは第２のレンズアレイと集光レンズによっ
て映像表示素子よりも大きくなるように結像させる。第
１のレンズアレイ像が映像表示素子よりも小さかった場
合、投影される映像の画面内に明るさが特に暗い部分が
発生し支障を来す。そこで、これを発生しないように、
第１のレンズアレイ像を映像表示素子よりも大きく結像
させてマージンをとった場合、そのマージン量が大きく
なればなるほど、実際の映像表示に使われる光線の割合
が低下し、効率の悪い照明光学系となり、投影される映
像も暗いものとなる。

【０００９】以上より、液晶表示装置の明るさおよび画
質向上という２つの観点からの対応が必要となってい
る。

【００１０】また、液晶パネルにマイクロレンズアレイ
を適用した映像表示装置においては、マイクロレンズア
レイなしの場合に比べて、液晶パネルに入射する光線の
集束角度が小さい方が総合的な効率が向上できるため、
使用する液晶パネルに対応した照明光学系の設計が必要
であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の課題事項に関して、明るさおよび画質を確保した投射
型映像表示装置を効率よく提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第２のレンズアレイによ
って第１のレンズアレイの像を映像表示素子付近に結像
させる際に、レンズアレイの位置関係を調整可能にする
ことにより、第１レンズアレイの第２レンズアレイによ
る映像表示素子への投影倍率を、組立後に適切な値に設
定することが可能になり、マージン量を調整し、映像表
示装置の明るさを犠牲にすることなく画質確保が図れ
る。

【００１３】また、第２のレンズアレイ、及び集光レン
ズによって第１のレンズアレイの像を映像表示素子付近
に結像させる際に、集光レンズの位置、枚数、あるいは
位置及び枚数、あるいは複数枚の集光レンズのパワー配
分を変更することにより光学系全体を変更することなく
使用する映像表示素子に適した光線集束角を実現する。

【００１４】また、複数の集光レンズを使用する際に同
一レンズを２枚使用する事により、部品種類を低減す
る。

【００１５】また、照明光学系において、光源ユニット
から出射される光線を３原色に分割し、おのおのの光線
を対応する映像表示素子に照射する場合、３光路の内、
光路が構造上他の２光路と違う光路に関しては光線の照
射する効率を向上するためにリレーレンズ系を備え、こ
れを３枚の両凸レンズを用いることによって効率よく、
収差の少ない第１レンズアレイの投影像を実現する。

【００１６】また、前記リレーレンズ系において第１の
レンズと第３のレンズに同一のレンズを使用することに
よって部品種類を低減する。

【００１７】また、リレーレンズ系の第２のレンズ位置
を光軸の前後に調整可能にすることにより、３光路のう
ちリレーレンズ系を通過する１光路のみ独自に第１レン
ズアレイの投影倍率を変更可能として、最適なマージン
量を設定し映像表示装置の明るさを犠牲にすることなく
画質確保が図れる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明による投射型液晶
表示装置の一実施形態を示す、光学系構成図である。図
１において、投射型液晶表示装置には、光源１があり、
光源１は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、
キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ
等の白色ランプである。光源１は、円形ないし多角形の
出射開口を持つ少なくとも１つの反射面鏡５を有し、こ
の光源１から出される光はライトバルブ素子である液晶
表示素子２を通過して投射レンズ３に向かい、スクリー
ン４へ投影される。

【００１９】光源１の電球から放射される光は楕円面ま
たは放物面または非球面のリフレクタ５にて集光され、
第一のレンズアレイ６に入射する。光は第一のレンズア
レイ６を通過後、第二のレンズアレイ７を通過し、偏光
ビームスプリッター８に入射する。さらに変更ビームス
プリッタ８を通過後、集光レンズ９により集光され、ダ
イクロイックミラーＡ１２，及びダイクロイックミラー
Ｂ１３によりＲ，Ｇ，Ｂの３色に分解された後、光路に
よってはミラー１４、第１リレーレンズ１５、第２リレ
ーレンズ１６第３リレーレンズ１７、あるいは対応する
コンデンサレンズ１０に入射して、さらに液晶表示素子
２を照射する。

【００２０】このＲ，Ｇ，Ｂ３色に対応した、液晶表示
素子２を通過した光は、合成プリズム１１によってカラ
ー映像として合成された後、例えばズームレンズである
ような投射手段３を通過し、スクリーン４に到達する。
前記投射手段３により、液晶表示素子２に形成された画
像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能
するものである。

【００２１】本発明による投射型映像表示装置では、第
１レンズアレイ６、と第２レンズアレイ７の間隔を調整
可能にしており、第２レンズアレイ、及び集光レンズ９
による、第１レンズアレイの各セルの映像表示素子２面
における投影像の大きさを調整可能にしている。投射型
映像表示装置では、多くの部品による積み上げにより、
本来得ようとしている第１レンズアレイの各セルの投影
像の大きさが得られず、投影像が小さくなり画質の劣化
を引き起こすことがある。

【００２２】その分マージンを確保しておき、十分な大
きさを設定することも可能ではあるが、マージン量の分
だけ効率は低下し、投射型映像表示装置としての明るさ
を低下させる要因になる。本発明では第１レンズアレイ
６と第２レンズアレイ７の距離を調整することにより、
マージン量を調整して、効率の低下を最小限に押さえて
いる。

【００２３】次に本発明による集光レンズの機能を説明
する。

【００２４】図２は本発明による集光レンズを示したも
のである。図２ａは集光レンズ９を１枚構成にした場合
である。この状態から、液晶表示素子２や投射レンズ３
及びコンデンサレンズ１０、光源１などの位置は変更す
ることなく、集光レンズ９を追加した状態を図２ｂに示
す。図２ｂにおいては、液晶表示素子２に集光する光線
の集束角度１８は大きくなるが、第２レンズアレイ、及
び集光レンズ９による、第１レンズアレイ６の各セルの
投影像の倍率を一定に保つために、適切な焦点距離変更
を与えた上で、第１のレンズアレイ６と第２のレンズア
レイ７を近づけることになり、その結果、投影の効率が
向上しスクリーン４上の映像は明るくなる。

【００２５】すなわち液晶表示素子２の種類に応じて最
適な光線集束角度１８を与える最も効率のよい照明光学
系を、集光レンズ９の追加、及び第１レンズアレイ６と
第２レンズアレイ７の焦点距離と位置関係変更のみで、
実現することが可能になる。この結果、１つの光学構造
で、マイクロレンズ無しの液晶表示素子や、より小さい
入射光線の集束角１８を必要とするマイクロレンズ付き
の液晶表示素子に対応することが可能になる。

【００２６】図３に示したように、集光レンズ９を２枚
のレンズで構成した場合、２枚の集光レンズ９の光学的
な主点の位置は２枚の集光レンズ９の中間点に存在し、
図４に示したように２枚の集光レンズ９の間にミラー１
４等の他の部品が存在しても、物理的な２枚のレンズの
間であり、かつミラー１４が存在している位置に集光レ
ンズが光学的に存在している状態を実現するものであ
る。

【００２７】さらに、２枚の集光レンズ９を同一のレン
ズとした場合、光学的なレンズの主点位置は２枚の集光
レンズ９のちょうど中間点となる。同一レンズの使用は
部品種類の多種化を防ぎ効率的な投射型映像表示装置の
供給を可能にする。

【００２８】また、本発明による投射型液晶表示装置で
は、図１の１５，１６，１７に示したような両凸面形状
の３枚のリレーレンズ系を用いている。これにより、収
差が少なく歪みのの少ない第１レンズアレイ６の各セル
の投射像を得る。

【００２９】また第２のリレーレンズ１６の光軸方向の
位置を調整可能にしており、リレーレンズ系を通過した
光線のみ、第１レンズアレイ６の各セルの投影像の大き
さを独立して調整可能にしており、効率を犠牲にするこ
となく適切なマージン量を設定することを実現してい
る。

【００３０】さらに第１のリレーレンズ１５と第３のリ
レーレンズ１７を同一形状としている。同一レンズの使
用は部品種類の多種化を防ぎ効率的な投射型映像表示装
置の供給を可能にする。

【００３１】

【発明の効果】第２のレンズアレイによって第１のレン
ズアレイの像を映像表示素子付近に結像させる際に、レ
ンズアレイの位置関係を調整可能にすることにより、第
１レンズアレイの第２レンズアレイによる映像表示素子
への投影倍率を、組立後に適切な値に設定することが可
能になり、マージン量を調整し、映像表示装置の明るさ
を犠牲にすることなく画質確保が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す投射型映像表示装置の
構成図。

【図２】本発明の一実施形態である集光レンズの構成を
示す図。

【図３】本発明の実施形態である集光レンズの効果を示
す図。

【図４】本発明の実施形態である集光レンズの効果を示
す図。

【符号の説明】

１…光源、２…映像表示素子、３…投射レンズ、５…リ
フレクタ、６…第一レンズアレイ、７…第二レンズアレ
イ、８…偏光ビームスプリッター、９…集光レンズ、１
０…コンデンサレンズ、１１…合成プリズム、１２…ダ
イクロイックミラーＡ、１３…ダイクロイックミラー
Ｂ、１４…ミラー、１５…リレーレンズ１、１６…リレ
ーレンズ２、１７…リレーレンズ３、１８…光線集束角
度。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者出口雅晴神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所デジタルメディアシステム事業部内 (72)発明者松田裕神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所デジタルメディアシステム事業部内 (72)発明者仕明卓也神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所デジタルメディアシステム事業部内 (72)発明者中島努神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所デジタルメディアシステム事業部内Ｆターム(参考） 2H052 BA02 BA03 BA09 BA14 2H088 EA15 EA18 EA19 HA13 HA20 HA21 HA25 HA28 MA06 2H091 FA05Z FA17Z FA21X FA26Z FA29Z FA41Z FD12 LA12 LA16 MA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を放射する光源ユニット、該光源の光線
を効率よく利用するための照明光学系、映像信号に応じ
た光学像を形成するライトバルブ手段である液晶表示素
子等の映像表示素子、及び該映像表示素子から出射した
光を投射する投射手段等を有する投射型映像表示装置に
おいて、前記照明光学系は、少なくとも複数の２次光源
像を形成する第一のレンズアレイと、複数の集光レンズ
により構成され、前記複数の２次光源像が形成される近
傍に配置され、映像表示素子に第一のレンズアレイの個
々のレンズ像を結像させる第二のレンズアレイとを有
し、これら第１のレンズアレイ、あるいは第２のレンズ
アレイの配置に際して、光軸の前後方向の調整手段を有
することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項２】前記、投射型映像表示装置において、前記
照明光学系は、映像表示素子に第一のレンズアレイの個
々のレンズ像をともに結像させる第二のレンズアレイと
集光レンズを備え、該集光レンズにおいて、その枚数を
変更、あるいは複数枚の集光レンズを用いた場合、それ
ぞれのパワー配分を変更する事によって、映像表示素子
への光線集束角度を、使用する映像表示素子に合わせて
変更できることを特徴とする請求項１記載の投射型映像
表示装置。
【請求項３】請求項２に示した映像表示装置において、
集光レンズを同一品２枚構成としたことを特徴とする投
射型映像表示装置。
【請求項４】前記請求項１から３までのいずれか１項記
載の投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、
光源ユニットから出射される光線を３原色に分割し、お
のおのの光線を対応する映像表示素子に照射し、３光路
の内、光路が構造上他の２光路と違う光路に関しては光
線の照射する効率を向上するためにリレーレンズ系を備
え、該リレーレンズ系を、３枚の両凸レンズにより構成
することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項５】請求項４における投射型映像表示装置にお
いて、リレーレンズ系の第２のリレーレンズ位置を光軸
の前後方向に調整する手段を持っていることを特徴とす
る投射型映像表示装置。
【請求項６】請求項５における投射型映像表示装置のリ
レーレンズ系において第１のレンズと第３のレンズを同
一形状としたことを特徴とする投射型映像表示装置。