JPH05150363A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 投写像の光軸周辺部の輝度向上を図り、高画
質の投写像を得ることのできる投写型表示装置を提供す
る。 【構成】 回転放物面リフレクタ１０２の焦点付近に光
源１０１を配置してなる光源部１００と、光軸近傍に相
当する中央部とその周辺部とで曲率の異なる非球面状の
入射面１１１を有するフィールドレンズ１１０と、前記
光源部１００からの光源光がフィールドレンズ１１０を
通して照射される、被照明体である液晶デバイス１２０
と、該液晶デバイス１２０から出射される画像光をスク
リーン１４０上に拡大投写する投写レンズ１３０とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は投写型表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の投写型表示装置としては、例えば
図９に示すように、光源７０１および回転放物面リフレ
クタ７０２からなる光源部７００と、該光源部７００か
ら発せられる光源光を被照明体に照射するための照明光
学系であるフィールドレンズ７１０と、前記被照明体で
ある透過型の液晶デバイス７２０と、該液晶デバイス７
２０から出射された画像光をスクリーン７４０へ拡大投
写するための投影光学系である、瞳７３１を有する投写
レンズ７３０とを備えたものが知られている。

【０００３】前記投写型表示装置について、回転放物面
リフレクタ７０２の焦点距離で規格化した場合の構成の
一例を示す。

【０００４】・回転放物面リフレクタ７０２ ・焦点距離＝１．００ ・開口径＝７．６９ ・フィールドレンズ７１０ ・材料：ガラス材（屈折率１．５２） ・入射面７１１の形状：

【０００５】

【数１】 但し、Ｘ：光軸方向の長さ（図９中右方向が正） ｈ：光軸からの距離 Ｂ：非球面定数（＝０） Ｒ：−５．３（１／Ｒを基準曲率とする） ・レンズ径：６．１５ ・液晶デバイス７２０ ・最大径：５．７７ ・投写レンズ７３０ ・焦点距離：１０．５７ ・Ｆ値：４．５ ・投写倍率：３３．３倍 ・回転放物面リフレクタ７０２とフィールドレンズ７１
０の間隔：２６．１５・フィールドレンズ７１０と液晶
デバイス７２０の間隔：０．３１ ・光源７０１の径：０．３８ 光源部７００の光源７０１は回転放物面リフレクタ７０
２の焦点近傍に配置され、前記光源７０１から発せられ
た光は、回転放物面リフレクタ７０２で反射して平行光
束（例えば、ｌ₁,ｌ'₁）となってフィールドレンズ７１
０に入射する。平行光束ｌ₁,ｌ'₁はフィールドレンズ７
１０に入射した後、前記光源７０１が完全な点光源であ
れば前記回転放物面リフレクタ７０２およびフィールド
レンズ７１０の合成屈折力によって、投写レンズ７３０
における、光軸ｐ上の点ｐ₂ に集光する光束であるが、
前記光源７０１は実際には有限径であり、回転放物面リ
フレクタ７０２およびフィールドレンズ７１０の収差も
あるので、前記点ｐ₂ の近傍に集光することになる。

【０００６】液晶デバイス７２０は、前記平行光束ｌ₁,
ｌ'₁の収束光路中であって、かつ、該液晶デバイス７２
０における光軸ｐ上の点ｐ₁ とスクリーン７４０におけ
る光軸ｐ上の点ｐ₃ とが投写レンズ７３０を介して結像
関係になるような位置に配置されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の技術には下記のような問題点がある。

【０００８】光源部に配された光源は、前述したように
有限径を有するものであるため、回転放物面リフレクタ
にて反射した場合でも、図１０に示すように、光源７０
１からの光には完全に平行光束とならない光束が存在す
る。したがって、液晶デバイス７２０上の各点を照明す
る光束は、所定の開き角を有する光束となり、そのよう
な光束が液晶デバイス７２０に照射されると、液晶デバ
イス７２０から出射する画像光（例えば点ｐ₄ の像）
は、投写レンズ７３０を通してスクリーン７４０上の点
ｐ₇ に結像される。図示する照明光束が全て存在し、か
つ投写レンズ７３０に口径蝕がない理想的な系を考える
と、この光軸ｐから離れた点ｐ₄ について結像に関る光
束は、投写レンズ７３０を通して∠ｐ₅ ｐ₄ ｐ₆ （ｐ
₅ 、ｐ₆ は投写レンズ７３０の絞り７３１の端点）の範
囲に発せられた光束である。なお、この∠ｐ₅ ｐ₄ ｐ₆
は、投写レンズ７３０の開口数（近似的にはＦ値）によ
って示される。

【０００９】ところが、実際には前記∠ｐ₅ ｐ₄ ｐ₆ の
範囲内全域に光束が存在するとは限らない。これは他の
像点についても同じ様に言えることである。このような
光束の存在性の乏しい点では像が暗く、また、光束の存
在性の高い点では像が明るいので、投写画像の明るさに
差が生じてしまう。

【００１０】この光束の存在性を調べる方法として、一
般に言われる逆トレースを用いる。逆トレースとは、本
来像点である点から本来の物点に光束トレースする方法
である。ここでは、図１０において、像点ｐ₃ 、像点ｐ
₇ から、投写レンズ７３０を介して液晶デバイス７２０
上の点ｐ₁、点ｐ₄ で結像させた後、さらに、フィール
ドレンズ７１０を経て光源部７００へ光束トレースを続
け、光源７０１近傍での光束を観測する。

【００１１】この光束トレースにより、光源７０１へ戻
らない光束は、実際の投写の際に存在しない光束である
ので、そのような光束の多い像点では明るさが低下する
ことになる。

【００１２】ここで上述した図１０における、スクリー
ン７４０の光軸ｐ上の像点ｐ₃ と光軸ｐ周辺部の像点ｐ
₇ とからの光束トレースの結果を、それぞれ図１１、図
１２に示す。

【００１３】図１１、図１２は、それぞれ、像点ｐ₃ ，
ｐ₇ から光束トレースを行なった場合の、光源７０１付
近での光束を示す図である。

【００１４】まず、図１１において、ｌ₃ 〜ｌ₁₁は、前
記像点Ｐ₃ から∠ｐ₅ ｐ₃ ｐ₆ （図１０参照）の範囲内
に存在した光束を示すもので、何れも、像点ｐ₃ から発
せられて投写レンズ７３０によって液晶デバイス７２０
上の点ｐ₁ に結像した後、光源部７００に戻る逆トレー
ス光束である。光源部７００では、各逆トレース光束ｌ
₃ 〜ｌ₁₁は、それぞれ回転放物面リフレクタ７０２の反
射点ａ₁ 〜ａ₉で反射して光源７０１へ向う。この場
合、前記逆トレース光束ｌ₃ 〜ｌ₁₁は、図１１からも明
らかなように、何れも、ほぼ光源７０１内に戻ってい
る。これは、前記光源７０１から発せられた光源光が有
効に、スクリーン７４０上の像点ｐ₃に結像しているこ
とを示している。

【００１５】次に、図１２において、ｌ₁₂〜ｌ₂₀は前記
像点ｐ₇ から∠ｐ₅ ｐ₇ ｐ₆ （図１０参照）の範囲内に
存在した光束を示すものであり、何れも、像点ｐ₇ から
発せられて投写レンズ７３０によって液晶デバイス７２
０上の点ｐ₄に結像した後、光源部７００に戻る逆トレ
ース光束である。光源部７００では、各逆トレース光束
ｌ₁₂〜ｌ₂₀は、それぞれ、回転放物面リフレクタ７０２
の反射点ａ₁₀ 〜ａ₁₈で反射して光源７０１へ向う。こ
の場合、図１２に示すように、前記逆トレース光束ｌ₁₂
〜ｌ₂₀のうち前記反射点ａ₁₅、ａ₁₆ 、ａ₁₇で反射した
光束ｌ₁₇、ｌ₁₈、ｌ₁₉はほぼ光源７０１内に戻っている
が、その他の光束は光源７０１位置から外れている。こ
れは、上述したように、実際の投写時には、前記逆トレ
ース光束ｌ₁₂〜ｌ₁₅，ｌ₁₉，ｌ₂₀に相当する光束は存在
しないことを示しており、その分、前記像点ｐ₇ におけ
る明るさは低下することになる。この明るさの低下は、
光軸ｐから遠い周辺部ほど大きく、高画質、大画面をめ
ざす投写型表示装置の大きな障害となっている。さら
に、従来の装置では以下のような問題が生じる。

【００１６】図１０では、投写レンズ７３０として口径
蝕（ヴィネッティング）が無く、且つ絞り７３１の位置
と瞳の位置が一致している例を図示しているが、実際の
位置では、図１３に示すように、口径蝕が生じ且つ絞り
７３１の位置と瞳７３２の位置とが異なっている。図１
３中、一点鎖線で示す光束が絞り７３１の軸上及び軸外
の結像状態であり、絞り７３１を液晶デバイス７２０側
から見た虚像が瞳７３２であり、絞り７３１とは異なる
場所に位置する。また、ｐ₂′，ｐ₅ ′，ｐ₆′で示すも
のが、軸上光束の結像に係る瞳であり、ｐ₅ ″，ｐ
₆ ″，ｐ₇ ″で示すものが点ｐ₄ からの軸外光束に係る
瞳であり、それぞれｐ₂ ′，ｐ₇ ″が瞳中心を示す。ま
た、点ｐ₄ からの理想的な結像光束が実線で描かれてい
る。

【００１７】図示するように、点ｐ₄ 等の軸外の各点の
結像に係る瞳は、軸上の結像に係る瞳よりも小さく、破
線で示す照明光束が、従来の場合、実線で示す理想的な
結像光束から偏位した光束を生じさせるため、結像光束
の中心光線が瞳の中心ｐ₇ ″に向わず、周辺部の光束が
瞳でケラしてしまっていた。

【００１８】本発明は、上記従来の技術が有する問題点
に鑑みてなされたもので、投写像の光軸周辺部の輝度向
上を図り、高画質の投写像を得ることのできる投写型表
示装置を提供することを目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源と該光源
からの光で被照明体を照明する照明光学系と該照明され
た被照明体を投影するための口径蝕が生じる投影光学系
とを有し、前記被照明体を投影することにより前記被照
明体のパターンを表示する投写型表示装置であって、前
記照明光学系の前記被照明体の近傍に配した補助光学系
により、前記被照明体の前記投影光学系の軸外に存する
各点を照明する各光束の重心光線が前記口径蝕によって
該各点毎に存する前記投影光学系の各瞳のほぼ中心に向
かうよう該各光束の重心光線の前記被照明体への入射角
を制御するものである。

【００２０】上記投写型表示装置において、前記照明光
学系が前記光源の発光部に焦点をほぼ一致させた放物反
射面または球面反射面を備えるミラーを前記光源の背面
に有し、前記補助光学系が前記光源からの光を該ミラー
を介して受ける場合と、前記照明光学系が前記光源の発
光部に曲率中心がほぼ一致するように配した球面の反射
面を備えるミラーと、前記光源の発光部に焦点がほぼ一
致するように配したコリメターレンズ系とを有し、前記
補助光学系が前記光源からの光を前記ミラーと前記コリ
メターレンズ系とを介して受ける場合と、前記照明光学
系が前記光源の発光部に第１焦点をほぼ一致させた楕円
反射面を備えるミラーと該ミラーの楕円反射面の第２焦
点に焦点をほぼ一致させたコリメターレンズ系とを有
し、前記補助光学系が前記光源からの光を前記ミラーと
前記コリメターレンズ系とを介して受ける場合と、前記
補助光学系が前記各光束の重心光線の前記被照明体の入
射角を制御するべく中心から周辺にかけて曲率を変化さ
せた非球面レンズを有する場合と、前記非球面レンズが
前記被照明体に最も近い場所に置かれており、前記非球
面レンズの非球面と前記被照明体との光軸方向に関する
距離をｅ₁ 、前記非球面レンズの焦点距離をｆ、前記投
影光学系の前記被照明体側の開口数をＮＡ、前記被照明
体の中心と前記非球面レンズの中心との偏心誤差を△ｘ
とする時、△ｘ／２ＮＡ＜ｅ₁ ＜ｆを満たす場合と、前
記非球面レンズは前記光源側に前記非球面を備え前記被
照明体側に球面を備えた場合と、前記非球面レンズが前
記被照明体に最も近い場所に置かれる場合と、前記補助
光学系が前記非球面レンズと前記被照明体の間に球面レ
ンズを備えた場合と、前記補助光学系が前記各光束の重
心光線の前記被照明体への入射角を制御するべく中心か
ら周辺にかけて屈折率を変化させた屈折率分布型レンズ
を備えた場合と、前記屈折率分布型レンズは前記光源側
の面と前記被照明体側の面とが互いに平行である場合
と、前記被照明体は入力信号に応じて画像を表示する液
晶パネルより成る場合とがある。

【００２１】

【作用】本発明の投写型表示装置は、被照明体の近傍に
配した補助光学系により被照明体の投影光学系の軸外に
存する各点を照明する各光束の重心光線が口径蝕によっ
て該各点毎に存する投影光学系の各瞳の中心を通過する
よう該各光束の重心光線の被照明体への入射角を制御す
ることにより、被照明体のパターンの周辺部の光量（明
るさ）を向上させ且つこのような効果を投影光学系に対
する補助光学系の偏心による重心光線の各瞳の中心から
のずれを小さくして容易に得られる。

【００２２】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２３】図１は本発明の投写型表示装置の一実施例
を示す図である。

【００２４】本実施例の投写型表示装置は、回転放物面
リフレクタ１０２の焦点付近に光源１０１を配置してな
る光源部１００と、中央部付近とその周辺部とで屈折力
が異なる集光光学素子であるフィールドレンズ１１０
と、被照明体である、透過型の液晶デバイス１２０と、
該液晶デバイス１２０から出射された画像光をスクリー
ン１４０上に拡大投写するための、瞳１３１を有する投
写レンズ１３０とを備えたものである。

【００２５】前記フィールドレンズ１１０は、中央部付
近とその周辺部とで屈折力を変えるため、入射面１１１
が、その中央部付近とその周辺部とで曲率が異なる非球
面形状に形成され、出射面１１２は平面となっている。

【００２６】本実施例では、前記フィールドレンズ１１
０の入射面１１１は、その中央部付近について屈折力を
大きくするため曲率が大きい球面とし、その周辺部は前
記中央部より屈折力を小さくするため、曲率が小さい面
となっている。

【００２７】本実施例におけるフィールドレンズ１１０
の位置は次のように定めている。

【００２８】液晶デバイス１２０とフィールドレンズ１
１０の入射面１１１の光軸方向の距離をｅ₁ 、レンズ１
１０のパワーをφ（１／焦点距離ｆ）、回転放物面リフ
レクタ１０２の開口径をφ、投写レンズ１３０のデバイ
ス１２０側の開口数をＮＡ，液晶デバイス１２０とフィ
ールドレンズ１１０の計容偏心誤差を△ｘとすると、本
実施例では、 ｆ＝１／φ＞ｅ₁ ＞△ｘ／２ＮＡ なる条件を満たすよう、フィールドレンズ１１０を設置
している。

【００２９】この条件の意味を図２、図３を用いて説明
する。

【００３０】図２は図１の装置を部分的に拡大したもの
であり、フィールドレンズ１１０の入射面１１１は設置
誤差、レンズの加工誤差等様々な要因により理想的な場
所から△ｘ偏心した場所に設定される場合、△ｘの許容
値は結像光束が入射面１１１により切り取られる長さ２
ＮＡ・ｅ₁ より小さければ、この△ｘの偏心の影響は、
照明および結像光束の拡がりの効果により緩和されるこ
とが解った。従って、 △ｘ＜２ＮＡ・ｅ₁ なる式が成立する。これより、 ｅ₁ ＞△ｘ／２ＮＡ… となる。

【００３１】一方、図３に示すように、ｅ₁ ＝１／φの
場合、光源１０１の、予め決めた点から発する光束が液
晶デバイス１２０の中心に集光する。通常、光源１０１
は有限の大きさの発光部をもち、しかも発光部内の輝度
の分布は均一ではない。図３に示すような場合、光源１
０１の発光部の不均一な輝度分布が液晶デバイス１２０
に写ることになるので好ましくない。したがって、 ｅ₁ ＜１／φ＝ｆ… なる式が成立する。なお、ｅ₁ ＞１／φとすると液晶デ
バイス１２０から光源１０１側に照明光束が集光し、該
液晶デバイス１２０が発散光束で照明されるので光利用
効率が劣化する。

【００３２】この、式より上記の条件が得られるの
である。

【００３３】液晶デバイス１２０は、ビデオ信号が印加
されることによって画素毎に光シャッターとして作用
し、入射光束の偏光方向を変調して画像光を出射する。
そのため、液晶デバイス１２０の入射面側と出射面側に
は、それぞれ、照明光束を偏光させるための偏光子（不
図示）と画像光を抽出するための検光子（不図示）を備
えている。これらの偏光子および検光子としては一般に
偏光板や偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が用いられて
いる。液晶デバイスを備えた投写型表示装置の場合、カ
ラー画像表示のため、液晶デバイスを複数備えるととも
に、投影光学系との間に色合成光学系を配した構成のも
のが一般的であるので、投写レンズ１３０としてはバッ
クフォーカス長の長いレトロフォーカスタイプのものを
用いる。また、スクリーン１４０は反射型と透過型のも
のがあり、それぞれ、観測者は、図１中スクリーン１４
０の右側と左側とになる。

【００３４】本実施例の投写型表示装置について、回転
放物面リフレクタ１０２の焦点距離に対して規格化した
場合の構成の一例を以下に示す。

【００３５】・回転放物面リフレクタ１０２ ・焦点距離＝１．００ ・開口径＝７．６９ ・フィールドレンズ１１０ ・材料：ガラス材（屈折率１．５２） ・入射面１１１の形状：

【００３６】

【数２】 但し、Ｘ：光軸方向の長さ（図１中右方向が正） ｈ：光軸からの距離 Ｂ：非球面定数（＝２．７５×１０^-4） Ｒ：−５．３（１／Ｒを基準曲率とする） ・レンズ径：６．１５ ・液晶デバイス１２０ ・最大径：５．７７ ・投写レンズ１３０ ・焦点距離：１０．５７ ・Ｆ値：４．５ ・投写倍率：３３．３倍 ・回転放物面リフレクタ１０２とコンデンサレンズ１１
０の間隔：２６．１５ ・フィールドレンズ１１０と液晶デバイス１２０の間
隔：０．３１ ・光源１０１の径：０．３８ 前記液晶デバイス１２０は、光源部１００から発せられ
た平行光束の、フィールドレンズ１１０による収束光路
中であって、かつ、該液晶デバイス１２０における光軸
Ｐ上の点Ｐ₁ とスクリーン１４０における光軸Ｐ上の点
Ｐ₂ とが投写レンズ１３０を介して結像関係になるよう
な配置となっている。また、レンズの許容偏心誤差を△
ｘとすると、該△ｘはレンズ径の０．１％程度に設定す
ればよく、本実施例のフィールドレンズ１１０の場合△
ｘ≒０．００６であり、上記の条件を満している。

【００３７】図１において、点Ｐ₁に関る光束と点Ｐ₃に
関る光束は、液晶デバイス１２０およびスクリーン１４
０の近傍にて存在領域が異るので、液晶デバイス１２０
の近傍で非球面光学素子を用い、周辺像と中心像に関る
光束をフィールドレンズ１１０により別々に操作でき
る。

【００３８】図１中、投写レンズ１３０の絞り１３１を
液晶デバイス１２０側から見た虚像が瞳１３２の位置に
あり、軸上の結像光束に係る瞳はＰ₅ ′Ｐ₂ ′Ｐ₆ ′で
示された部分、軸外の結像光束に係る瞳はＰ₅ ″，Ｐ
₇ ″，Ｐ₆ ″で示された部分である。点ｐ₃ の像を点ｐ
₄ に結ぶ軸外の結像（照明）光束は光線Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ
₃ 及びＬ₁ ′，Ｌ₂ ′，Ｌ₃ ′で示されており、光線Ｌ
₁，Ｌ₃ ，Ｌ₁ ′，Ｌ₃′がそれぞれ瞳の端部Ｐ₅ ″，Ｐ
₆ ″に向けられる光線で、光線Ｌ₂ ，Ｌ₂ ′が結像（照
明）光束内の重心光線である。ここで、重心光線とは、
結像光束の断面強度分布の重心位置に相当する部分の光
線または中心光線のことを意味するものである。（強度
分布が中心に関して対称な場合、中心光線と重心位置に
相当する部分の光線とは一致する。）本実施例では、こ
の軸外の重心光線Ｌ₂ ，Ｌ₂ ′が、対応する瞳の中心Ｐ
₇ ″に向かうように投写レンズ１１０の面形状を定め、
これにより軸外結像光束のケラしを減らして、スクリー
ン１４０上の軸外の画像の明るさを上げている。

【００３９】また、投写レンズ１１０を光源１０１から
離れた場所に設定し、熱的影響を受けにくく、歪みが生
じたり割れたりすることがないようにしている。さら
に、熱的な歪みが生じないので、レンズの焦点距離等が
変化しない。また、非球面化し易いプラスチックレンズ
を用いることも可能になる。

【００４０】さらに、本実施例の場合、投写レンズ１３
０に近い場所で軸外照明光束の重心光線のむきを制御し
ているので、重心光線を対応する瞳中心に向け易いとい
う利点がある（誤差が生じにくいということ）。

【００４１】ここで、前記フィールドレンズ１１０の入
射面１１１の形状の設定方法について説明する。

【００４２】この場合も、前途と同様に、スクリーン１
４０の、光軸Ｐの像点Ｐ₂と光軸Ｐ周辺部像点Ｐ₄ とに
ついての光束トレースを行なう。

【００４３】まず、前記像点Ｐ₂ については該像点Ｐ₂
から∠Ｐ₅ Ｐ₂ Ｐ₆ の範囲に存在する光束を考える。こ
の像点Ｐ₂ に関る光束は、前述の図１０に示した投写型
表示装置のスクリーン７４０における光軸ｐ上の像点ｐ
₃ の場合と同様に考えることができ、光束トレースの結
果は、ほぼ全ての光束が光源位置に戻ることになる（図
１１参照）。

【００４４】一方、光軸Ｐ周辺部の像点Ｐ₄ の場合は該
像点Ｐ₄ から∠Ｐ₅ Ｐ₄ Ｐ₆ の範囲に存在する光束につ
いて考える。この像点Ｐ₄ に関る光束は、該像点Ｐ₄ か
ら発せられて、投写レンズ１３０によって液晶デバイス
１２０上の点ｐ₃ に結像した後、図４に示すように、光
源部１００に戻る逆トレース光束となる。図４におい
て、光源部１００に戻った光束Ｌ₄ 〜Ｌ₁₂は、それぞ
れ、回転放物面リフレクタ１０２の反射点Ａ₁ 〜Ａ₉ で
反射して光源１０１へ向い、ほぼ全てが光源１０１、す
なわち回転放物面リフレクタ１０２の焦点近傍に集光し
ている。これは、実際の投写時に、前記像点Ｐ₄ への結
像について、光源１０１から発せられた光束が効率良く
結像に関っており、前記像点Ｐ₄ での像の明るさが向上
したことを示している。これは、他の像点についても同
じ様に考えられ、光軸Ｐ周辺部の像の明るさが向上する
ことになる。

【００４５】上述の光束トレースの結果において、光源
１０１近傍の光軸Ｐ上での逆トレース光束の広がり巾Ｄ
を調べる。

【００４６】ここで、光束広がり巾Ｄは、例えば上述の
図４において逆トレース光束である光束Ｌ₄ 〜Ｌ₁₂につ
いて、回転放物面リフレクタ１０２による反射後、光軸
Ｐと交差する際の右端と左端に位置する光束間の距離と
する。また、前記右端と左端に位置する光束の光軸Ｐ上
での点と回転放物面リフレクタ１０２の焦点との距離を
それぞれｄ₁ ，ｄ₂ とする。

【００４７】まず、前述した投写型表示装置において、
フィールドレンズ１１０の、非球面定数Ｂを０としてＲ
を変化させた場合の、スクリーン１４０の光軸Ｐ上の像
点Ｐ ₂ に関る逆トレース光についての光束広がり巾Ｄの
変化を図５に示す。

【００４８】図５からも明らかなように、フィールドレ
ンズ１１０のＲが小さいほど、すなわちフィールドレン
ズ１１０の曲率１／Ｒが大きくなるほど、光束広がり巾
Ｄは小さくなっており、図５に示す、フィールドレンズ
１１０のＲの変化範囲では光束広がり巾Ｄは０．３以下
である。これにより、本実施例の投写型表示装置では光
源１０１の径が０．３８であるので、前記像点Ｐ₂ に関
る逆トレース光を光源１０１へ集光させることは可能で
ある。

【００４９】ところが、一般に、光源についてはその輝
度分布が均一でなく、高輝度部〜低輝度部を有してい
る。例えば、メタルハライドランプやキセノンランプ等
の放電式のランプの場合、電極近傍に非常に高輝度な領
域が有り、電極から離れるほど低輝度となる。そのた
め、前記スクリーン１４０の光軸Ｐ上の像点Ｐ₂ を明る
くするには、前記逆トレース光を光源１０１の高輝度域
に達するように光学系をセッティングする必要性から、
前記光束広がり巾Ｄは狭いことが望ましい。ただし、光
束広がり巾Ｄをあまり小さくすると色ムラが生じてしま
うので、これらの点に気をつけて、前記フィールドレン
ズ１１０のＲを決定することになる。

【００５０】ここで、本実施例において、フィールドレ
ンズ１１０は、前述したように、その中心厚が０．９８
５、径が６．１５であり、そのようなレンズの物理的形
状の限界から、Ｒ＝５．３（１／Ｒ＝０．１８９）に決
定される。このときの光束広がり巾Ｄは、図５から０．
２４２であり、フィールドレンズ１１０の焦点距離は１
０．２６１である。また、このときのスクリーン１４０
上の光軸Ｐの周辺部における像点Ｐ_n についての逆トレ
ースの結果を図６の（ａ），（ｂ）に示す。

【００５１】図６の（ａ）は、前記像点Ｐ_n の、光軸Ｐ
からの距離Ｈの変化に対する、回転放物面リフレクタ１
０２の焦点から左右両端の光束まで距離ｄ₁ ，ｄ₂ の変
化を示しており、横軸の原点が回転放物面リフレクタ１
０２の焦点位置である。図６の（ｂ）は、前記距離Ｈの
変化に対する光束広がり巾Ｄの変化を示している。

【００５２】図６の（ａ），（ｂ）からも明らかなよう
に、光軸Ｐからの距離Ｈが大きいほど、光束広がり巾Ｄ
は大きくなっており、逆トレース光束が光源１０１に達
しない状態が激しいことがわかる。これは、スクリーン
１４０上の投写画像において、光軸Ｐの近傍（中心部）
に比べて周辺部が暗くなることを示している。

【００５３】次に、フィールドレンズ１１０のＲを一定
にして非球面定数Ｂを変化させ、スクリーン１４０上に
投写される画像において、光軸Ｐから最大距離の８０％
の点に位置する像点についての逆トレースの結果を図７
の（ａ），（ｂ）に示す。

【００５４】図７の（ａ）は、非球面定数Ｂの変化に対
する、回転放物面リフレクタ１０２の焦点から左右両端
の光束までの距離ｄ₁ ，ｄ₂ の変化を示しており、横軸
の原点が回転放物面リフレクタ１０２の焦点位置であ
る。また、図７の（ｂ）は、非球面定数Ｂの変化に対す
る光束広がり巾Ｄの変化を示している。

【００５５】図７の（ａ），（ｂ）からも明らかなよう
に、光束広がり巾Ｄは、非球面定数Ｂの増加とともに減
少し、非球面定数Ｂ＝２．７５×１０^-4付近で増加する
ことがわかる。

【００５６】つづいて、曲率１／Ｒ＝０．１８９、非球
面定数Ｂ＝２．７５×１０^-4のときの、前記像点Ｐ_n に
ついての逆トレースの結果を図８の（ａ），（ｂ）に示
す。図８の（ａ）は、スクリーン１４０上の、光軸Ｐか
ら像点Ｐ_n までの距離Ｈの変化に対する、回転放物面リ
フレクタ１０２の焦点から左右両端の光束までの距離ｄ
₁ ，ｄ₂ の変化を示しており、横軸の原点が回転放物面
リフレクタ１０２の焦点位置である。また、図８の
（ｂ）は前記距離Ｈの変化に対する光束広がり巾Ｄの変
化を示している。

【００５７】この図８の（ａ），（ｂ）を、それぞれ前
述の図６の（ａ），（ｂ）に示した１／Ｒ＝０．１８
９、Ｂ＝０の場合と比較すると、光束広がり巾Ｄが大巾
に減少したことがわかる。また、図８の（ａ）におい
て、回転放物面リフレクタ１０２の焦点からの距離ｄ
₁ ，ｄ₂ が短いことから、光源１０１から発する光束は
有効にスクリーン１４０に達していることがわかり、ス
クリーン１４０の周辺部においても充分明るい像が得ら
れることになる。

【００５８】本実施例では、フィールドレンズ１１０
を、その入射面１１１のみ非球面状に形成したが本発明
はこれに限定されるものでなく、入射面および出射面の
両面が非球面状のものあるいはフレネルレンズでも用い
ることができる。

【００５９】さらに、本実施例では、光源部１００にお
いて回転放物面リフレクタ１０２の焦点位置に光源１０
１を配置することで平行光束を得る構成としたが、回転
楕円面リフレクタを用いることもできる。この場合、同
様に回転楕円面リフレクタの焦点位置に光源を配し、前
記回転楕円面リフレクタで反射した光源光を、レンズ等
の光学素子を通すことで平行光束にすることができる。

【００６０】また、光源部の光源およびリフレクタが柱
状のものの場合、フィールドレンズ１１０をシリンドリ
カルレンズにすることで同様な効果を得ることができ
る。

【００６１】さらに、被照明体が液晶デバイスの場合、
該液晶デバイスの偏光子として光源部が発する光源光
を、２つの偏光方向の異なる偏光光に分離した後、一方
の偏光方向に揃える偏光変換モジュールを設けることに
より、光源光の利用率がより向上し、投写画像の、さら
なる輝度向上につながる。また、上述の実施例では、液
晶デバイスを１個としたが、３個の液晶デバイスを備え
たカラー表示用の投写型表示装置も考えられる。

【００６２】カラー表示用の投写型表示装置の場合、照
射光学系が発せられた光源光を、前記３個の液晶デバイ
スそれぞれに対応する色光に分離する色分離光学系を備
え、また、投影光学系が、前記３個の液晶デバイスから
出射される各色の画像光を合成する色合成光学系を備え
た構成となる。この色分離光学系および色合成光学系
は、誘電多層膜等からなるダイクロイックミラー、複数
のダイクロイックミラーを組合わせたクロスダイクロイ
ックミラー、あるいはダイクロイックプリズム等を用い
ることで構成することができる。

【００６３】上述した実施例では、被照明体として液晶
デバイスを備え、該液晶デバイスで形成した画像を投写
する表示装置を示したが、本発明はそれに限定されるも
のでなく、被照明体を照明し、それによって形成される
光像（物体情報）を拡大して観察するための光学装置に
も適用することができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、下記のような効果を奏する。

【００６５】照明光学系の被照明体の近傍に配した補助
光学系により、前記被照明体の投影光学系の軸外に存す
る各点を照明する各光束の重心光線が前記投影光学系の
口径蝕によって、前記各点毎に存する前記投影光学系の
瞳のほぼ中心に向かうように、前記各光束の重心光線の
被照明体への入射角を制御することによって、投写像の
前記集光光学素子の中央部に対応する光軸近傍とその周
辺部とで結像に関る光束の利用率を別々に変化させるこ
とができるので、特に輝度低下の著しい周辺部の明るさ
を向上させることが可能となるとともに、前記投写像
の、光軸近傍とその周辺部とで輝度の均一化を図ること
が可能となり鮮明な投写像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投写型表示装置の一実施例を示す図で
ある。

【図２】図１に示した投写型表示装置のフィールドレン
ズの配置を決定する方法を示す図である。

【図３】図１に示した投写型表示装置のフィールドレン
ズの配置を決定する方法を示す図である。

【図４】本発明の投写型表示装置における、逆トレース
光束の一例を示す図である。

【図５】本発明の投写型表示装置におけるフィールドレ
ンズの曲率の変化に対する光束広がり巾Ｄの変化の一例
を示す図である。

【図６】本発明の投写型表示装置において、フィールド
レンズの曲率を一定とした場合の、スクリーンにおける
光軸周辺部の像点Ｐ_n からの光束逆トレースの結果の一
例を示す図であり、（ａ）は、光軸から像点Ｐ_n までの
距離Ｈの変化に対する、光源付近における、回転放物面
リフレクタの焦点から逆トレース光束までの距離ｄ₁ ，
ｄ₂ の変化を示す図、（ｂ）は前記距離Ｈの変化に対す
る光束広がり巾Ｄの変化を示す図である。

【図７】本発明の投写型表示装置において、フィールド
レンズの曲率を一定とし、該フィールドレンズの非球面
定数Ｂを変化させた場合の、スクリーン上の光軸周辺部
の像点からの光束逆トレースの結果の一例を示す図であ
り、（ａ）は非球面定数Ｂの変化に対する、光源付近に
おける、回転放物面リフレクタの焦点から逆トレース光
束までの距離ｄ₁，ｄ₂ の変化を示す図、（ｂ）は非球
面定数Ｂの変化に対する光束広がり巾Ｄの変化を示す図
である。

【図８】本発明の投写型表示装置において、フィールド
レンズの曲率および非球面定数Ｂを一定とした場合の、
スクリーン上の光軸周辺部の像点Ｐ_n からの光束逆トレ
ースの結果の一例を示す図であり、（ａ）は光軸から像
点Ｐ_n までの距離Ｈの変化に対する、光源付近におけ
る、回転放物面リフレクタの焦点から逆トレース光束ま
での距離ｄ₁ ，ｄ₂ の変化を示す図、（ｂ）は前記距離
Ｈの変化に対する光束広がり巾Ｄの変化を示す図であ
る。

【図９】従来の投写型表示装置の一例を示す図である。

【図１０】従来の投写型表示装置におけるスクリーン上
の結像点の一例を示す図である。

【図１１】従来の投写型表示装置における、スクリーン
の光軸上の像点からの光束逆トレースによる、光源付近
の逆トレース光束の一例を示す図である。

【図１２】従来の投写型表示装置における、スクリーン
上の光軸周辺部の像点からの逆トレースによる、光源付
近の逆トレース光束の一例を示す図である。

【図１３】従来の投写型表示装置の他の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１００ 光源部 １０１ 光源 １０２ 回転方物面リフレクタ １１０ フィールドレンズ １１１ 入射面 １１２ 出射面 １２０ 液晶デバイス １３０ 投写レンズ １３１ 瞳 １４０ スクリーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新嘉喜 純子 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 矢野 光太郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と該光源からの光で被照明体を照明
   する照明光学系と該照明された被照明体を投影するため
   の口径蝕が生じる投影光学系とを有し、前記被照明体を
   投影することにより前記被照明体のパターンを表示する
   投写型表示装置であって、 前記照明光学系の前記被照明体の近傍に配した補助光学
   系により、前記被照明体の前記投影光学系の軸外に存す
   る各点を照明する各光束の重心光線が前記口径蝕によっ
   て該各点毎に存する前記投影光学系の各瞳のほぼ中心に
   向かうよう該各光束の重心光線の前記被照明体への入射
   角を制御することを特徴とする投写型表示装置。
2. 【請求項２】 照明光学系が光源の発光部に焦点をほぼ
   一致させた放物反射面または球面反射面を備えるミラー
   を前記光源の背面に有し、補助光学系が前記光源からの
   光を該ミラーを介して受けることを特徴とする請求項１
   記載の投写型表示装置。
3. 【請求項３】 照明光学系が光源の発光部に曲率中心が
   ほぼ一致するよう配した球面の反射面を備えるミラー
   と、前記光源の発光部に焦点がほぼ一致するように配し
   たコリメターレンズ系とを有し、補助光学系が前記光源
   からの光を、前記ミラーと前記コリメターレンズ系とを
   介して受けることを特徴とする請求項１記載の投写型表
   示装置。
4. 【請求項４】 照明光学系が光源の発光部に第１焦点を
   ほぼ一致させた楕円反射面を備えるミラーと該ミラーの
   楕円反射面の第２焦点に焦点をほぼ一致させたコリメタ
   ーレンズ系とを有し、補助光学系が前記光源からの光を
   前記ミラーと前記コリメターレンズ系とを介して受ける
   ことを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
5. 【請求項５】 補助光学系が各光束の重心光線の被照明
   体の入射角を制御するべく中心から周辺にかけて曲率を
   変化させた非球面レンズを有することを特徴とする請求
   項１、２、３あるいは４記載の投写型表示装置。
6. 【請求項６】 非球面レンズが被照明体に最も近い場所
   に置かれており、前記非球面レンズの非球面と前記被照
   明体との光軸方向に関する距離をｅ₁ 、前記非球面レン
   ズの焦点距離をｆ、投影光学系の前記被照明体側の開口
   数をＮＡ、前記被照明体の中心と前記非球面レンズの中
   心との偏心誤差を△ｘとする時、△ｘ／２ＮＡ＜ｅ₁ ＜
   ｆを満たすことを特徴とする請求項５記載の投写型表示
   装置。
7. 【請求項７】 非球面レンズは光源側に非球面を備え被
   照明体側に球面を備えることを特徴とする請求項５記載
   の投写型表示装置。
8. 【請求項８】 非球面レンズが被照明体に最も近い場所
   に置かれることを特徴とする請求項７記載の投写型表示
   装置。
9. 【請求項９】 補助光学系が非球面レンズと被照明体の
   間に球面レンズを備えることを特徴とする請求項５記載
   の投写型表示装置。
10. 【請求項１０】 補助光学系が各光束の重心光線の被照
    明体への入射角を制御するべく中心から周辺にかけて屈
    折率を変化させた屈折率分布型レンズを備えることを特
    徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
11. 【請求項１１】 屈折率分布型レンズは光源側の面と被
    照明体側の面とが互いに平行であることを特徴とする請
    求項１０記載の投写型表示装置。
12. 【請求項１２】 被照明体は入力信号に応じて画像を表
    示する液晶パネルより成ることを特徴とする請求項１、
    ２、３、４、５、６、７、８、９あるいは１０記載の投
    写型表示装置。