JPH02163729A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はライトバルブに形成される光学像を照明光で照
射すると共に投写レンズによりスクリーン上に投写する
投写型表示装置に関するものである。

従来の技術 大画面の映像表示を行うために、比較的小さなライトバ
ルブに光学的特性の変化として映像信号に応じた光学像
を形成し、この光学像を照明光で照射するとともに投写
レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来よ
りよく知られている。

この種の投写型表示装置は、投写画像の解像度がライト
バルブの解像度でほぼ決まり、光源を強（すれば光出力
が大きくなるので、高解像度のライトバルブを用いれば
その表示面積が小さくても高解像度で光出力の大きい投
射型表示装置を実現することができる。また、最近では
、ライトバルブとして液晶パネルを用いる方法が注目さ
れている。

（例えば、５ＩＤ８７ダイジエスト第７５ページ）、・
このような投写型表示装置の従来の構成の一例を第５図
に示す。

ランプ１は赤、緑、青の色成分を含む光を放射し、ラン
プ１から放射される光は集光レンズ２と凹面鏡３とによ
り平行に近い光に変換され、熱線吸収フィルタ４を透過
した後、色分解手段５に入射する。色分解手段５は平板
型の青反射グイクロイックミラー６と平板型の緑反射グ
イクロイックミラー７とを平行に配置したもので、それ
らの法線８，９が入力光光軸１０に対して４５度となる
ように配置されている。色分解手段５を出た赤の光は平
面ミラー１１．１２を介して、緑の光はそのまま直進し
て、青の光は平面ミラー１３を介して、それぞれ対応す
る液晶パネル１４．１５．１６に入射する。液晶パネル
１４．１５．１６にはそれぞれの映像信号に応じて透過
率の変化として光学像が形成される。液晶パネル１４．
１５．１６からの出力光は光合成手段１７により１つに
合成されて実質的に緑の液晶パネル１５の位置にカラー
画像が形成される。このカラー画像はテレセンドリンク
の投写レンズ１日によりスクリーン（図示せず）上に拡
大投写される。光合成手段Ｉ７は４つの直言プリズム１
９．２０．２１．２２を接合したプリズム型のグイクロ
イックミラーであり、接合面２３．２４に赤反射グイク
ロイック多層膜が、接合面２５．２６に青反射グイクロ
イック多層膜が莫着されている。多層膜の交差部２７は
その影響がスクリーン上に現れないように非常に細かく
している。

第５図に示した投写型表示装置は、投写レンズが１本で
あるので画面サイズまたは投写レンズ１８からスクリー
ンまでの距離を容易に変えられるという特徴がある。

発明が解決しようとする課題 第５図に示した構成では、集光レンズ２から各液晶パネ
ル１４．１５．１６までの光路長が、青と緑の光は短く
、赤の光は長い、一般に、集光レンズ２から出る光は光
路が長くなるに従って光が拡がるので、青と緑の光は光
利用効率が高いが、赤の光は光路長が長い分だけ光利用
効率が低くなる。投写画像の白バランスを考えると、例
えば青と緑の光の光路に減衰フィルタを挿入して、最適
な赤、緑、青の照度比にする必要がある。装置全体の光
利用効率は最適な赤、緑、青の照度比に最も不足する色
の光で決定されるので、第５図に示した構成では装置全
体の光利用効率が低く、光出力が小さいという課題があ
る。また、光源の光出力を大きくすれば装置の光出力を
大きくできるが、それだけ装置全体が大きくなるという
課題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、光学系の光
利用効率を向上させて、コンパクトでしかも光出力の大
きい投写型表示装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明の投写型表示装置は、
３原色の色成分を含む光を放射する光源と、前記光源の
出力光を３原色の色光に分解するための第１及び第２の
平板型グイクロイックミラーを略平行に配置した色分解
手段と、第１の平板型グイクロイックミラーによって反
射される第１の色光の光路を折り曲げる折り返しミラー
と、前記色分解手段を直進して出射する第３の色光が入
射する光伝達手段と、前記折り返しミラーにより折り曲
げられた第１の色光及び第２の平板型ダイクロインクミ
ラーによって反射される第２の色光及び前記光伝達手段
から出射する第３の色光がそれぞれ入射する３つのフィ
ールドレンズと、前記３つのフィールドレンズから出射
する各色光が照射され映像信号に応じた光学像が形成さ
れる３つのライトバルブと、前記各ライトバルブからの
出力光を１つに合成する多層膜面をＸ字状に交差させた
光合成手段と、前記光合成手段からの出力光を受け前記
ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レ
ンズとを備え、前記色分解手段から出射する第２の色光
は前記光合成手段を直進するようにし、３つの前記フィ
ールドレンズはその出射光が前記投写レンズに到達する
ようにし、前記光伝達手段は入力端に配置される入力部
収束レンズと、出力端に配置される出力部収束レンズと
、前記入力部収束レンズと前記出力部収束レンズとの光
路中に配置される中央部収束レンズと、前記入力部収束
レンズと前記中央部収束レンズとの間の光路を折り曲げ
る入力側平面ミラーと、前記中央部収束レンズと前記出
力部収束レンズとの間の光路を折り曲げる出力側平面ミ
ラーとを備え、前記入力部収束レンズは前記中央部収束
レンズの付近に前記光源内の発光体の実像を形成し、前
記中央部収束レンズは前記出力部収束レンズ付近に前記
入力部収束レンズ付近の物体の実像を形成し、前記出力
部収束レンズはその出力光が前記投写レンズに到達する
ようにしたものである。

作用 上記構成によれば、集光レンズと光伝達手段の入力部収
束レンズとにより中央部収束レンズの付近に光源内の発
光体の実像を形成し、中央部収束レンズにより入力部収
束レンズ付近の物体の実像を出力部収束レンズ付近に形
成するようにしているので、入力部収束レンズに入射し
て中央部収束レンズに到達するような光はすべて出力部
収束レンズを通過して出力される。入力側平面ミラーと
出力側平面ミラーとは、光伝達手段内の光路を折り曲げ
るだけである。色分解手段からの出射光と光伝達手段か
らの出射光はフィールドレンズにより投写レンズに到達
するようにしている。こうして、入力部収束レンズと中
央部収束レンズとが発散しようとする光を収束光に変換
し、光伝達手段内で光が拡がらないようにするので、光
路の長い部分の光利用効率の低下を防ぐことができる。

従って、収束レンズを組み合わせた光伝達手段を用いる
ことにより、光利用効率を向上させた投写型表示装置を
実現することができる。

実施例 本発明による投写型表示装置の一実施例について添付図
面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における光学系の構成を示し
たもので、３０は光源、３８は色分解手段、３９は光伝
達手段、４０は折り返しミラー、４１．４２゜４３はフ
ィールドレンズ、４４．４５．４６はライトバルブ、４
７は光合成手段、４８は投写レンズである。３８の色分
解手段において、４９は青反射の平板型ダイクロイック
ミラー、５０は緑反射の平板型ダイクロイックミラーで
あり、それらの法線５１．５２が光軸３７と４５度の角
度をなすように配置しである。３９の光伝達手段におい
て、５３は入力部収束レンズ、５４は入力側平面ミラー
、５５は中央部収束レンズ、５６は出力側平面ミラー、
５７は出力部収束レンズである。なお、色分解手段３８
と光合成手段４７とは第５図に示した従来例で用いてい
るものと同一である。

光源３０はランプ３１と、集光レンズ３２と凹面鏡３３
と、熱線吸収フィルタ３４とから構成され、ランプ３１
は、赤、緑、青の３原色の色成分を含む光を放射する。

ランプ３１から放射される光は集光レンズ３２と凹面鏡
３３とにより平行に近い光に変換される。

厳密には、ランプ３１の発光体３５の中心３６から出る
光線が集光レンズ３２から光軸３７と平行に出射するよ
うにしである。集光レンズ３２から出た光は熱線吸収フ
ィルタ３４により赤外線が除去される。光源３０の出力
光は色分解手段３８に入射し、赤、緑、青の光に分解さ
れる０色分解手段３８を出た赤の光は光伝達手段３９を
介して、緑の光は直進して、青の光は折り返しミラー４
０で光路が折り曲げられて、それぞれ対応するフィール
ドレンズ４１．４２．４３を通過した後に赤、緑、青の
ライトバルブ４４．４５゜４６に入射する。ライトバル
ブ４４．４５．４６は透過型の液晶パネルであって、映
像信号に応じて透過率の変化として光学像が形成される
。ライトバルブ４４、４５．４６の出力光は、フィール
ドレンズ４１．４２゜４３により投写レンズ４８に入射
する。このとき、各出力光は光合成手段４７により１つ
に合成されて、実質的にライトバルブ４５の位置にカラ
ー画像が合成される。このカラー画像は投写レンズ４８
によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。

フィールドレンズ４１．４２．４３は平面５８．５９．
６０をライトバルブ４４．４５．４６に向けた平凸レン
ズであり、光軸３７に平行な光線が、フィールドレンズ
４１、４２．４３に入射した場合にその出力光線が投写
レンズ４８の瞳６エの中心６２の近傍に到達するように
している。フィールドレンズ４１．４２．４３の形状と
向きをこのようにするのは、球面収差を太き（しないた
めと、平面研磨が比較的安価なためである。

投写レンズ４８はライトバルブ４４．４５．４６側の画
角が小さい投写レンズとなっている。これは次のような
理由による。一般に、ライトバルブには入射光線の入射
角により光学的な特性が異なるという性質があり、通常
の広角の投写レンズを用いるとライトバルブの中心から
離れるほどライトバルブへの主光線の入射角が大きくな
るので、スクリーン上の中心と周辺で画質が異なる場合
がある。

これを避けるにはライトバルブ側の半画角を１０度ある
いはそれ以下にするとよい。

第２図は光伝達手段３９の構成を示したもので、色分解
手段３８側から順に、入力部収束レンズ５３と、入力側
平面ミラー５４と、中央部収束レンズ５５と、出力側平
面ミラー５６と、出力部収束レンズ５７とで構成されて
いる。入力部収束レンズ５３と出力部収束レンズ５７と
はいずれも平面６３．６４を中央部収束レンズ５５に向
けた同一の平凸レンズで、それらの焦点距離は中央部収
束レンズ５５の焦点距離の２倍となっている。中央部収
束レンズ５５は両面６５．６６の曲率半径が等しい両凸
レンズである。入力部収束レンズ５３と出力部収束レン
ズ５７とはそれらの焦点が共に中央部収束レンズ５５の
中心６７の近傍にくるように配置されている。光路を直
角に折り曲げるために、入力部収束レンズ５３と中央部
収束レンズ５５との間に入力側平面ミラー５４が配置さ
れ、中央部収束レンズ５５と出力部収束レンズ５７との
間に出力側平面ミラー５６が配置されている。入力部収
束レンズ５３と出力部収束レンズ５７とを平凸レンズと
し、平面６３．６４を中央部収束レンズ５５に向けてい
るのは、球面収差を大きくしないためと、平面研磨が比
較的安価なためである。また、中央部収束レンズ５５を
両面６５．６６の曲率半径が等しい両凸レンズとするの
も中央部収束レンズ５５で発生する収差を太き（しない
ためである。

以下に、第２図に示した赤の光伝達手段３９の作用につ
いて説明する。第３図はランプ３１から投写レンズ４８
までの光学系を示したもので、説明を簡単にするために
関係する光学部品のみ示している。

光伝達手段３９には次のような性質がある。

第１に、中央部収束レンズ５５の焦点距離と収束レンズ
、５３．５５．５７の位置関係から、中央部収束レンズ
５５により入力部収束レンズ５３の中心６８付近にある
物体６９の実像７０は出力部収束レンズ５７の中心７１
付近に形成され、この物体６９と実像７０とは同じ大き
さである。このため、入力部収束レンズ５３の任意の位
置から中央部収束レンズＳ５の任意の位置に入力する光
線は必ず出力部収束レンズ５７に入射する。しかも、ラ
イトバルブ４４．４５．４６への入射光の光束径がほぼ
同一となる。

第２に、入力部収束レンズ５３の焦点と出力部収束レン
ズ５７の焦点とがともに中央部収束レンズ５５の中心６
７の近傍にあり、中央部収束レンズ５５の中心付近は屈
折力がないので、光軸３７と平行に入力部収束レンズ５
３の周辺に入射した光線は中央部収束レンズ５５の中心
６７をそのまま通過し、出力部収束レンズ５７の周辺を
通過する。このため、ランプ３１の発光体３５の中心３
６から出た光線が集光レンズ３２で屈折して光軸３７と
平行に出射する場合には、集光レンズ３２と入力部収束
レンズ５３とにより、ランプ３１の発光体３５の実像７
３が中央部収束レンズ５５の中心６７付近に形成される
。

以上のことから、中央部収束レンズ５５の有効領域が実
像７３よりも大きければ、入力部収束レンズ５３に入射
した光はすべて出力部収束レンズ５７から出射し、光伝
達手段３９の内部では光が拡がることによる損失のない
ことがわかる。このため第５図に示した従来の構成に比
べて赤の光の利用効率が高くなり、その結果として装置
全体の光利用効率が高くなる。

第３図かられかるように、ランプ３１の発光体３５の中
心３６から出て集光レンズ３２から出射する光線７２と
、出力部収束レンズ５７から出射する光線７４とは光軸
３７と平行であるので、これらの光線はフィールドレン
ズ４Ｌ　４２．４３の焦点に到達することになる。フィ
ールドレンズ４Ｌ　４２．４３の焦点が投写レンズ４８
の瞳６１の中心６２付近にくるようにしているので、ラ
ンプ３１の発光体３５の実像が赤、緑、青に分かれて投
写レンズ４８の瞳６１の中心６２付近に形成される。従
って、ライトバルブ４４．４５．４６から出射した光は
効率よ（スクリーン上に到達する。

なお、第２図に示した構成では、入力部収束レンズ５３
から出力部収束レンズ５７までの光路長を自由に選べる
ので、光路を折り曲げるための平面ミラー５４．５６を
配置する空間は充分に確保できる。

次に具体的な数値例を用いて説明する。

ライトバルブ４４．４５．４６の表示寸法が４０■×６
０閣、投写レンズ４８が焦点距離１５０■、明るさＦ２
．５、フィールドレンズ４１．４２．４３が焦点距離１
７０ａａｉ。

入力部収束レンズ５３と出力部収束レンズ５７とが焦点
路Ｍ　１３０閣、中央部収束レンズ５５が焦点距離６５
鴫である。第５図に示した構成の場合、赤のライトバル
ブ１４の直前の照度は色分解手段５の直後の照度の約５
０％であったが、第１図に示した構成では、赤のライト
バルブ４４の直前の照度は色分解手段３８の直後の照度
の約７５％となり、フィールドレンズの有無はあるもの
の、明らかに光利用効率の向上が認められた。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第２図に示した光伝達手段３９の入力部収束レンズ５３
と出力部収束レンズ５７とは平凸レンズでなくてもよい
。第４図はこの場合の例を示したもので、入力部収束レ
ンズ７５と出力部収束レンズ７６とは同−０両凸レンズ
で、曲率の小さい面７７、７８を中央部収束レンズ５５
に向けている。一般に、球面レンズはＦ数が小さいと球
面収差が大きくなり、光の拡がりを無視できなくなる。

この場合、平凸レンズよりも、中央部収束レンズ５５に
向いた面７７、７８の曲率半径が他方の面の曲率半径の
約２倍の両凸レンズの方が球面収差が少ない。なお、量
産時のコストを考えると、入力部収束レンズ７５と出力
部収束レンズ７６とを同一のレンズにするのがよい。

また、第２図に示した入力部収束レンズ５３、中央部収
束レンズ５５、出力部収束レンズ５７の少なくとも１つ
のレンズに少なくとも１つの非球面を含むようにして光
伝達手段３９の諸収差の発生を抑制すれば、光伝達手段
３９内の光が拡がる事による損失を更に小さくすること
ができる。これは、第４図に示した光伝達手段の場合も
同様である。

また、光伝達手段３９において、入力側平面ミラー５４
もしくは出力側平面ミラー５６の少なくともいずれか一
方は赤反射の平板型ダイクロイックミラーであっても構
わない。この場合、赤反射平板型ダイクロイックミラー
の分光反射特性を適当に選択することにより、平面ミラ
ーを用いる場合に比べて色純度の高い赤の色光を得るこ
とができる。

その結果、光合成手段４７により合成されたカラー画像
において高い色再現性が実現できる。

第１図に示した構成では、フィールドレンズ４１゜４２
、４３を平凸レンズとしたが、他の形状の球面レンズや
少なくとも一方の面に非球面を含むレンズを用いて、ス
クリーン上の中心部に対する周辺部の照度比の最適化を
図ることができる。この場合、曲率の小さい面をライト
バルブ４４．４５．４６に向ける方が収差の点で有利で
ある。

第１図に示した構成で、フィールドレンズ４１゜４２、
４３、入力部収束レンズ５３、出力部収束レンズ５７の
３種類のレンズのすべてまたは少なくとも２種類につい
て同一のレンズとすることも可能である。こうすると、
レンズの種類が少なくなり量産時のコスト低減を図るこ
とができる。

第２図に示した構成では、入力部収束レンズ５３と出力
部収束レンズ５７とを同一の平凸レンズとし、３枚の収
束レンズ５３．５５．５７の焦点距離の関係と位置関係
を規定したが、これにこだわる必要はなく、多少変更す
ることにより、スクリーン上の中心部に対する周辺部の
照度比や、赤、緑、青の照度比などの最適化を図ること
もできる。

第１図では、ライトバルブ４４．４５．４６として液晶
パネルを用いた例を示したが、電気光学結晶など光学的
特性の変化として映像信号に応じた光学像を形成できる
ものならライトバルブとして用いることができる。また
、第１図では光合成手段４７としてプリズム型のグイク
ロイックミラーを用いた例を示したが、高い解像度が要
求されない場合には、色分解手段３８と同様に平板型の
グイクロイックミラーをＸ字状に交差させたものを用い
ることができる。いずれも、上述の実施例と同様の効果
を得ることができる。

発明の効果 以上述べたごとく本発明によれば、光路の長い部分に収
束レンズを組み合わせた光伝達手段を用いてその部分で
の光利用効率の低下を防いでいるので、装置全体の光利
用効率を向上させることができ、それによりコンパクト
でしかも光出力の大きい投写型表示装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図の本発明の一実施例における投写型表示装置の構
成を示す略構成図、第２図は第１図に示した投写型表示
装置で用いる光伝達手段の略構成図、第３図は第１図に
示した光伝達手段の作用を説明するための路線図、第４
図は本発明の他の実施例における光伝達手段の構成を示
す略構成図、第５図は従来の投写型表示装置の構成を示
す略構成図である。 ３０・・・・・・光源、３８・・・・・・色分解手段、
３９・・・・・・光伝達手段、４０・・・・・・折り返
しミラー、４Ｌ　４２．４３・・・・・・フィールドレ
ンズ、４４．４５．４６・・・・・・ライトバルブ、４
７・・・・・・光合成手段、４８・・・・・・投写レン
ズ、５３・・・・・・入力部収束レンズ、５４・・・・
・・入力側平面ミラー、５５・・・・・・中央部収束レ
ンズ、５６・・・・・・出力側平面ミラー５７・・・・
・・出力部収束レンズ。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名う

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）３原色の色成分を含む光を放射する光源と、前記
   光源の出力光を３原色の色光に分解するための第１及び
   第２の平板型ダイクロイックミラーを略平行に配置した
   色分解手段と、第１の平板型ダイクロイックミラーによ
   って反射される第１の色光の光路を折り曲げる折り返し
   ミラーと、前記色分解手段を直進して出射する第３の色
   光が入射する光伝達手段と、前記折り返しミラーにより
   折り曲げられた第１の色光及び第２の平板型ダイクロイ
   ックミラーによって反射される第２の色光及び前記光伝
   達手段から出射する第３の色光がそれぞれ入射する３つ
   のフィールドレンズと、前記３つのフィールドレンズか
   ら出射する各色光が照射され映像信号に応じた光学像が
   形成される３つのライトバルブと、前記各ライトバルブ
   からの出力光を１つに合成する多層膜面をＸ字状に交差
   させた光合成手段と、前記光合成手段からの出力光を受
   け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する
   投写レンズとを備え、前記色分解手段から出射する第２
   の色光は前記光合成手段を直進するようにし、３つの前
   記フィールドレンズはその出射光が前記投写レンズに到
   達するようにし、前記光伝達手段は入力端に配置される
   入力部収束レンズと、出力端に配置される出力部収束レ
   ンズと、前記入力部収束レンズと前記出力部収束レンズ
   との光路中に配置される中央部収束レンズと、前記入力
   部収束レンズと前記中央部収束レンズとの間の光路を折
   り曲げる入力側平面ミラーと、前記中央部収束レンズと
   前記出力部収束レンズとの間の光路を折り曲げる出力側
   平面ミラーとを備え、前記入力部収束レンズは前記中央
   部収束レンズの付近に前記光源内の発光体の実像を形成
   し、前記中央部収束レンズは前記出力部収束レンズ付近
   に前記入力部収束レンズ付近の物体の実像を形成し、前
   記出力部収束レンズはその出力光が前記投写レンズに到
   達するようにしたことを特徴とする投写型表示装置。
2. （２）光源からの出射光と光伝達手段からの出射光が平
   行光に近いことを特徴とする請求項（１）記載の投写型
   表示装置。
3. （３）入力部収束レンズの焦点距離と出力部収束レンズ
   の焦点距離とは、中央部収束レンズの焦点距離の略２倍
   であり、前記入力部収束レンズと前記出力部収束レンズ
   とは、それらの焦点が共に前記中央部収束レンズの略中
   心にくるようにしたことを特徴とする請求項（１）記載
   の投写型表示装置。
4. （４）フィールドレンズと入力部収束レンズと出力部収
   束レンズのうち少なくとも２つは同一のレンズであるこ
   とを特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
5. （５）入力部収束レンズと出力部収束レンズとはともに
   曲率の小さい面を中央部収束レンズに向けたレンズであ
   ることを特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置
   。
6. （６）入力部収束レンズと出力部収束レンズとはともに
   平面を中央部収束レンズに向けた平凸レンズであること
   を特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
7. （７）フィールドレンズは曲率の小さい面をライトバル
   ブに向けて配置したことを特徴とする請求項（１）記載
   の投写型表示装置。
8. （８）フィールドレンズは平面をライトバルブに向けた
   平凸レンズであることを特徴とする請求項（１）記載の
   投写型表示装置。
9. （９）中央部収束レンズは両面の曲率半径が等しい両凸
   レンズであることをを特徴とする請求項（１）記載の投
   写型表示装置。
10. （１０）入力側平面ミラーまたは出力側平面ミラーの少
    なくともいずれか１つは平板型ダイクロイックミラーで
    あることを特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装
    置。
11. （１１）フィールドレンズと入力部収束レンズと中央部
    収束レンズと出力部収束レンズの少なくとも１つのレン
    ズに、少なくとも１つの非球面を含むことを特徴とする
    請求項（１）記載の投写型表示装置。