JPH05249408A

JPH05249408A - 投写型液晶表示装置

Info

Publication number: JPH05249408A
Application number: JP4049905A
Authority: JP
Inventors: Jiyouji Karasawa; 穣児唐澤; Fumitaka Yajima; 章隆矢島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-09-28

Abstract

(57)【要約】【構成】ダイクロイックミラー２，３，８，９および
反射ミラー４への光の入射角度を２０から４０度にし、
その入射側に光源１を、出射側に投写レンズ１０を配置
する。また、液晶ライトバルブ５と投写レンズ１０との
間に、ダイクロイックミラー８，９と光学的に等価な収
差補正ガラス１１をダイクロイックミラー８，９とねじ
れの位置に、光の入射角度が同一になるように挿入す
る。【効果】小型でシンプルな外形をなすと共に、明るく
色純度が高い画像を表示し、非点収差を激減した高解像
画質の投写型液晶表示装置を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶ライトバルブによ
り形成した画像を投写レンズにより拡大投写する投写型
の液晶表示装置に関する。さらには非点収差を補正する
光学系を用いた投写型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の投写型液晶表示装置は、すでに商
品化されているものがそうであるように、光分離手段お
よび光合成手段への光の入射角度はほぼ４５度であっ
た。これは光源と投写レンズを除いた光学系において最
も小型でスペース効率の良いものであった。

【０００３】また、従来の投写型液晶表示装置の非点収
差補正の光学系として、実開平３−７３９１０や、特開
平３−１７０９２５のような構成が知られている。前者
は非点収差を３枚共同じになるように悪い方に合わせる
ものであり、後者はレンズを用いて非点収差を減じるも
のである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来技術では、
４５度入射の光学系では投写レンズと光源がはみ出すよ
うな形となり、大型化しかつ凸部ができてしまってい
た。加えて光学的には、色純度の劣化や光軸のずれなど
が生じてしまう。

【０００５】また非点収差補正光学系の前者は非点収差
を減ずるものではないし、後者は他の収差が増大する。
そのためスクリーン上の画質は劣化したものとなる。

【０００６】本発明の投写型液晶表示装置は、以上の課
題を解決するもので、その目的とするところは、小型で
シンプルな外形をなすと共に、明るく色純度が高い画像
を表示し、非点収差を激減した高解像の画質の投写型液
晶表示装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の投写型液晶表示装置は、光源と、光源から
の光を分離する光分離手段と、光分離手段からの光を変
調する液晶ライトバルブと、液晶ライトバルブからの変
調された光を合成する光合成手段と、光合成手段からの
光を投写する投写レンズとを有する投写型液晶表示装置
において、前記光分離手段および光合成手段への光の入
射角度が、２０度から４０度の間であり、前記液晶ライ
トバルブと前記投写レンズとの間に、前記光合成手段と
光学的に等価な収差補正ガラスを前記光合成手段に対し
てねじれの位置に、光の入射角度が同一になるように挿
入したことを特徴とする。

【０００８】また、前記収差補正ガラスへの光の入射角
度が、前記光合成手段への光の入射角度と異なるよう
に、前記収差補正手段を挿入したことを特徴とする。

【０００９】さらには、前記投写レンズに最も近い光合
成手段を透過する光路を緑色用光路とし、該緑色用光路
中の前記液晶ライトバルブと前記投写レンズとの間に前
記収差補正ガラスを挿入したことを特徴とする。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）以下に本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の実施例を示す光学系の平面図
である。

【００１１】光源１からの出射光は、ダイクロイックミ
ラー２，３の波長選択特性によって赤，緑，青の３原色
に分離される。例えば、ダイクロイックミラー２によっ
て黄色光（約５００ｎｍ以上の光）を反射し、青色光
（約５００ｎｍ以下の光）を透過する。また、ダイクロ
イックミラー３によって緑色光（約５００ｎｍから約６
００ｎｍの間の光）を反射し、赤色光（約６００ｎｍ以
上の光）を透過する。即ち、赤，緑，青の３原色に分離
されるわけである。

【００１２】この時光軸の入射角度が３０度になるよう
に構成し、かつ波長特性も入射角度が３０度の時に上記
の特性を満たすように設計されている。

【００１３】光源１は、ハロゲンランプ、キセノンラン
プ、メタルハライドランプ等の光源と、球面リフレク
タ、放物面リフレクタ、楕円面リフレクタ等の反射光学
系とコンデンサーレンズ等の集光光学系を組み合わせて
用いられる。また図示しないが熱線カットフィルターや
紫外線カットフィルター、冷却手段等が配置され、熱に
よる画質の劣化を防いでいる。

【００１４】分離された各原色光のうち、赤，緑色光は
そのまま直進し、青色光は反射ミラー４によって反射さ
れて直進し、それぞれ対応する液晶ライトバルブ５Ｒ，
５Ｇ，５Ｂに入射する。

【００１５】入射した各原色光は、液晶ライトバルブ５
Ｒ，５Ｇ，５Ｂおよびその前後に配置される偏光板６，
７によって、各原色毎に対応した光変調、即ち、印加さ
れる信号電圧の大きさによって各原色毎に画像を形成し
出射される。

【００１６】一般的にＴＮ型液晶表示素子を液晶ライト
バルブ５Ｒ，５Ｇ，５Ｂとして用いる場合には、偏光板
６，７を用いているため、その偏光軸を光分離光学手段
および光合成光学手段のＰ偏光軸またはＳ偏光軸に対応
するように配置して、いずれか一方の偏光を用いること
で、鮮鋭な色分離特性が得られるとともに、色純度を高
めている。

【００１７】しかし、光合成光学手段の構成によって
は、１枚の液晶ライトバルブのみが左右あるいは上下が
反転して表示されることになり、明視方向や液晶のツイ
スト方向を一致させるためには２種類の液晶ライトバル
ブを製造しなくてはならないため、生産性が悪い。また
同一の液晶ライトバルブを用いると、色ムラや中間調で
の色ずれといった画質劣化を起こす。

【００１８】また投写画像を投写型液晶表示装置本体よ
り、上あるいは下に表示するあおり投写においても構成
が困難になる。

【００１９】そこでこれらの問題点を解決する方法とし
て、Ｐ偏光＋Ｓ偏光を用いる。これは偏光軸をＰ偏光軸
とＳ偏光軸の中間方向にするものである。図２に一般的
な４５度入射の青反射ダイクロイックミラーの分光特性
を示す。破線がＰ偏光、一点鎖線がＳ偏光を示し、実線
がＰ＋Ｓ偏光の特性を示す。図からわかるように分光特
性が悪くなり、色純度が劣化する。

【００２０】ダイクロイックミラーは、屈折率の異なる
透明な誘電体を光波長程度の膜厚で積層した構造で、ほ
とんど光吸収損失を受けることなく、光多重干渉現象に
より、光を透過波長域と反射波長域に分光する機能を有
している。このような誘電体多層膜を用いたダイクロイ
ックミラーは、光の入射角度が０から増加するにしたが
って、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の分光特性の差が顕著に
なる。

【００２１】さらに詳しくダイクロイックミラーについ
て説明する。

【００２２】ダイクロイックミラーの分光特性を決定す
る誘電体多層膜は、誘電体膜の光学的膜厚ｎｄが反射帯
域の中心波長λに対して、光の入射角度がθの時に、ｎ
ｄ・ｃｏｓθ＝λ／４の関係を満たし、高屈折率膜と低
屈折率膜とを交互に複数層積層したものである。

【００２３】ここで反射帯と透過帯の境界波長域の傾
き、反射率、反射帯の半値幅等の特性は、多層膜の層数
Ｎ、高屈折率ｎ_H、低屈折率ｎ_Lに依存する。反射帯の半
値幅は、次式で与えられる。

【００２４】 △ｇ＝２／π＊ｓｉｎ^-1（（η_H−η_L）／（η_H＋η_L））但しＰ偏光の場合 η_H＝ｎ_H／ｃｏｓθ_H η_L＝ｎ_L／ｃｏｓθ_L Ｓ偏光の場合 η_H＝ｎ_H・ｃｏｓθ_H η_L＝ｎ_L・ｃｏｓθ_L 光の入射角度をθ、空気の屈折率をｎ₀とすると、θ_H、
θ_Lは次式を満たす。

【００２５】ｎ₀・ｓｉｎθ＝ｎ_H・ｓｉｎθ_H＝ｎ_L・ｓｉｎθ_L 前述したように、ダイクロイックミラーの分光特性がＰ
偏光とＳ偏光で異なることが上式で説明される。

【００２６】誘電体多層膜の実効屈折率η_Hおよびη_Lの
入射角度が０度から９０度と増加するにしたがって、Ｐ
偏光とＳ偏光に対する違いが顕著になり、反射帯の半値
幅Δｇも偏光により大きく異なってきて、入射角度が大
きいほどＰ偏光とＳ偏光との差が大きくなる。

【００２７】従って、ダイクロイックミラーを入射角度
が４５度で配置した構成に比べて、本発明のように、２
０度から４０度で光が入射するように構成したことで、
偏光依存性が大きく低下し、Ｐ偏光＋Ｓ偏光を用いる場
合でも色分離特性が大幅に上昇する。図３に光の入射角
度が３０度の時のダイクロイックミラーの分光特性を示
す。図２と同様に実線がＰ＋Ｓ偏光、点線がＰ偏光、一
点鎖線がＳ偏光の光分離特性である。図２に比べてＰ＋
Ｓ偏光成分の光分離特性が急峻であることがわかる。

【００２８】ここでダイクロイックミラーへの入射角度
が大きくなる程、ダイクロイックミラーの長さが長くな
る。つまり面積が大きくなる。ダイクロイックミラーの
面積が大きくなればなるほど、その基板の平坦度、誘電
体多層膜の膜厚の均一性の維持等の点で生産性が低下す
る。さらにダイクロイックミラーの基板の厚みから生じ
る光路のずれも大きくなる。

【００２９】ダイクロイックミラーの長さをＬ、光路の
ずれをｗとすると、入射角度θに対して以下の式が得ら
れる。但しｌは液晶ライトバルブの長さ、Ｄとｎはダイ
クロイックミラーの基板の厚みと屈折率である。

【００３０】Ｌ＝ｌ／ｃｏｓθ ｗ＝Ｄ＊ｓｉｎθ（１−（ｃｏｓθ／√（ｎ²−ｓｉｎ²θ）））この式から明らかなように、ダイクロイックミラーへの
光の入射角度を２０から４０度とすることで、長さおよ
び光路のずれを減少させることができる。

【００３１】一方、逆にダイクロイックミラーへの入射
角度が小さくなる程、ダイクロイックミラーの長さや面
積も小さくなるが、光源から液晶ライトバルブまでの光
路長が増大するという課題も残る。光路長が増大する
と、投写型液晶表示装置の体積が大きくなるとともに、
有効光量が減少し、出射光束の低下が生じる。

【００３２】しかし体積については、光源を光分離光学
系の光の入射側に、また投写レンズを光合成光学系の光
の出射側にそれぞれ配置することを考えると、図１のよ
うに構成することで従来の投写レンズのような凸部がな
くなり、外観はかえってすっきりとしたものになり、体
積の増加もほとんど無い。

【００３３】さらに、光の入射角度θを４５度から５度
おきに詳しく検討した結果、投写レンズ及び光源を含め
た形で体積を比較した場合、光の入射角度が３０度の時
に体積が最小となった。但し投写レンズ及び光源は一般
的な大きさのものの数値を用いた。

【００３４】液晶ライトバルブ５Ｒ，５Ｇ，５Ｂで変調
された色光のうち、赤色光は反射ミラー４によって反射
された後収差補正ガラス１１を透過し、ダイクロイック
ミラー９を透過して投写レンズ１０に到達する。緑色光
はダイクロイックミラー８および９によって反射され、
投写レンズ１０に到達する。青色光は収差補正ガラス１
１およびダイクロイックミラー８を透過した後、ダイク
ロイックミラー９によって反射されて投写レンズ１０に
到達する。

【００３５】ここで、非点収差を補正するための光学系
である、収差補正ガラス１１について詳しく説明する。

【００３６】光合成光学手段としてダイクロイックミラ
ーを用いることは現在最も一般的である。しかし、これ
は、投写レンズの光軸に対して非回転対称でかつ周囲と
屈折率の異なる物体を結像光学系中に挿入することにな
るため、非点収差を発生させる。この非点収差は、放射
線方向の像面（メリディオナル像面）および環状線方向
の像面（サジタル像面）において、ダイクロイックミラ
ーを透過する光の光路長が異なることにより発生し、投
写レンズによる結像位置が放射線方向の結像位置と環状
線方向の結像位置と２つ存在することになる。

【００３７】したがって、この光学系における最適な映
像は、上記両者の最小錯乱円を観察することになりボケ
た映像となる。また、これによる非点収差を投写レンズ
によって補正することは実質的に不可能であり、そのま
まこの非点収差の発生した映像を観察しなければならな
い。

【００３８】図４は、本発明によって非点収差を除去で
きることを説明するための図であり、（ａ）が斜視図、
（ｂ）が平面図である。

【００３９】図４（ａ）において、光はＸ軸に沿って進
行し、ＸＺ平面内で角度θ傾けた収差補正ガラス１１を
透過し、ＸＹ平面内で角度θ傾けたダイクロイックミラ
ー９を透過する。すなわち、収差補正ガラス１１とダイ
クロイックミラー９はねじれの位置関係であり、光の入
射平面が直交している。。また、角度θは、収差補正ガ
ラス１１およびダイクロイックミラー９に対する光の入
射角度であり、２０度から４０度の間の角度である。

【００４０】この時の光線の振舞いを表す平面図が図４
（ｂ）であり、放射線方向と環状線方向における光線の
結像状態を表す。図中、破線は収差補正ガラス１１およ
びダイクロイックミラー９がない時の光線の光路を表
し、光線は平面４１上に結像して、当然非点収差は発生
しない。

【００４１】一方、図中の実線は収差補正ガラス１１と
ダイクロイックミラー９を挿入した時の光線の光路を表
す。図より明らかなように、ダイクロイックミラー９と
光学的に等価な収差補正ガラス１１をダイクロイックミ
ラー９に対してねじれの関係で、かつ同一の入射角度で
挿入することによって、放射線方向と環状線方向での光
の透過状態が等しくなるため、この場合においても光線
は平面４２上に結像し非点収差は発生しない。

【００４２】近軸領域においては上述の作用があるた
め、投写レンズをテレセントリックに構成すれば、液晶
ライトバルブ上の全ての点において上述の結像状態が維
持されるため、液晶ライトバルブの結像面を平面４２に
一致させることにより、従来ダイクロイックミラー透過
によって生じていた非点収差を完全に除去することがで
きる。

【００４３】こうして再び合成された３原色光は、投写
レンズ１０によって前方のスクリーン上に拡大画像とし
て投写される。なお、ダイクロイックミラー２，３，
８，９の波長選択特性を変えることによって、上記各液
晶ライトバルブは別の配列を採ることも可能である。

【００４４】（実施例２）上述したように、本発明は、
テレセントリックな結像光学系に対しては完全なる非点
収差補正をするものであるが、近年投写型液晶表示装置
の高精細化が進むにつれて液晶ライトバルブの対角長が
大きくなり、サイズおよびコストの面からテレセントリ
ックな結像光学系の形成が困難な状況にある。また、大
画面投写が望まれるにつれて、投写レンズの光軸とスク
リーンの中心とをずらした光学系、いわゆるあおり光学
系が必要となっている。

【００４５】こうした光学系に対しては光線が傾く方向
であるため完全な非点収差補正は困難であるが、本発明
によれば、収差補正ガラスの有無において顕著な差をシ
ミュレーションによって確認できた。

【００４６】図５は、ダイクロイックミラーおよび収差
補正ガラスへの光の入射角度を３０度とし、Ｆ＝４．
５，主光線最大傾角７度の投写レンズを用いたシミュレ
ーション結果であり、（ａ）が主光線傾角対デフォーカ
ス量、（ｂ）が主光線傾角対ＭＴＦを表すものである。
図５において、実線が本発明による収差補正ガラス有り
の場合であり、破線が無しの場合である。また、各４本
のグラフは、それぞれ投写レンズの光軸に対する対称点
での、メリディオナル（Ｍ）、サジタル（Ｓ）像を表
す。

【００４７】図５（ａ）より、本発明によれば、主光線
傾角０度、すなわち投写レンズの中心部分ではデフォー
カス量が０になり、その周辺部分においても収差補正無
しの場合に比べてデフォーカス量は極めて小さいことが
分かる。これは、投写レンズの中心およびその周辺部分
において、投写画像はほぼジャストフォーカス状態とな
ることを表している。また、総合的にデフォーカス量が
小さいことは投写レンズの焦点深度を小さくできること
になるため、投写レンズのＦ値を小さくして投写画像を
明るくすることも可能となる。これらは、高精細の投写
型液晶表示装置、特にハイビジョン対応の投写型液晶表
示装置において、効果が大きい。

【００４８】また、図５（ｂ）より、収差補正ガラスの
有無に対して、投写レンズの中心部分でのＭＴＦには明
らかな差が生じ、主光線傾角が大きくなるにしたがって
ばらつきに差が生じることが分かる。したがって、本発
明による収差補正ガラスを用いれば、投写画像上では投
写レンズの中心に近づくほど解像度が上がり、周辺部分
においても解像度の均一性を向上できる。

【００４９】

【表１】

【００５０】表１は、図５のシミュレーション時と同条
件で、ダイクロイックミラーへの光線の入射角度を３０
度に固定し、収差補正ガラスへの光線の入射角度を変化
させた時に、液晶ライトバルブの４隅部分でのＭ，Ｓに
対するデフォーカス量を算出した結果である。これよ
り、ダイクロイックミラーへの光線の入射角度と収差補
正ガラスへの光線の入射角度とを変えることによって、
投写画像におけるデフォーカス状態のバランス操作が可
能であることが分かる。

【００５１】この場合は、収差補正ガラスへの光線の入
射角度を２８度から２９度にすることによってバランス
のよいデフォーカス状態を実現できるが、この角度関係
は、光線の角度状態を変化させる条件（ダイクロイック
ミラーへの光線の入射角度、主光線最大傾角、あおり量
等）によって変化するものである。

【００５２】（実施例３）図６は、本発明の別の実施例
を示すものであり、図１中との同部品については同符号
で表している。また、基本的な作用は図１の場合と同様
であるため割愛する。

【００５３】本実施例は、前述したように、ダイクロイ
ックミラー６１、６２、６３、６４の波長選択特性を操
作することによって液晶ライトバルブ５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ
の配置を変更したものであり、投写レンズ１０に最も近
いダイクロイックミラー６４を透過する光路を緑色用光
路６５とし、その光路上に緑色用液晶ライトバルブ５Ｇ
を配置している。また、青色用光路６６上には収差補正
ガラス１１を設けず、緑色用光路６５上にのみ収差補正
ガラス１１を配置している。

【００５４】本実施例は、上記の構成とすることによっ
て投写型液晶表示装置の小型化を実現するものである。
青色は比視感度が比較的低いために、これによる非点収
差は投写画像の解像度に比較的影響しない。したがっ
て、比視感度の比較的高い緑色のみ非点収差を補正する
ものであるが、この時、緑色用の液晶ライトバルブ５Ｇ
を図６の配置にすると、収差補正ガラス１１の有無は投
写型液晶表示装置の大きさに影響しない。

【００５５】図７はこれを証明するための説明図であ
り、ダイクロイックミラーへの光線の入射角度とミラー
間のピッチＰ（図６に表示）との関係を表している。ミ
ラー間のピッチＰは、すなわち投写型液晶表示装置の大
きさを決定する要因である。図中、実線は収差補正ガラ
ス１１を挿入した場合の関係を、また、破線は収差補正
ガラス１１を挿入しない場合の関係を表す。

【００５６】すなわち、収差補正ガラス１１を挿入する
場合には、各入射角度に対して、両グラフの上方の値に
ミラー間のピッチＰを設定すれば良いわけだが、両グラ
フの交点である入射角度３０度においてミラー間のピッ
チＰが極小になることが分かる。言い換えれば、入射角
度３０度の光学系においては、収差補正ガラス１１の有
無とミラー間のピッチＰとは無関係であり、すなわち投
写型液晶表示装置の大きさにも無関係である。

【００５７】したがって、本実施例によれば、投写型液
晶表示装置を大型化することがなく、非点収差の補正さ
れた良好な投写画像が得られる。さらには、本実施例の
構成とすることによって、緑色光を反射するための反射
ミラー４の板厚を厚くすることができる。これにより、
反射ミラー４の平坦度向上が可能となり、反射ミラーの
反りを原因とする画質劣化さえも改善することができる
ため、投写画像はより一層良好なものとなる。

【００５８】

【発明の効果】本発明の投写型液晶表示装置は、以上説
明したように、光を光分離手段および光合成手段に入射
角度２０度から４０度で入射したから、投写レンズと光
源を配置することによって発生していたデッドスペース
をなくすことができ、外観が非常にシンプルになると共
に小型化される。とりわけ３０度にした場合最もスペー
ス効率がよい上に、ダイクロイックミラーの小型化もで
きる。

【００５９】また、光路のずれが小さくなるため光軸調
整が容易になり、非点収差も少なくなると共に、明るさ
の向上、色純度の向上という効果を有するため、顕著な
画質向上が得られる。

【００６０】さらには、収差補正ガラスを光合成光学系
に対してねじれの位置に、光合成光学系への光の入射角
度と同じ角度、あるいは、異なる角度で挿入したから、
非点収差を、テレセントリック光学系に対しては完全除
去、非テレセントリック光学系に対しても激減すること
ができる。したがって、小型でありながら高解像度の投
写型液晶表示装置が実現できる。

【００６１】今後投写型液晶表示装置が高精細になるほ
ど、特にハイビジョン対応の投写型液晶表示装置におい
て、本発明のもたらす効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を表す光学系の平面図であ
る。

【図２】４５度入射の青反射ダイクロイックミラーの分
光特性を示す図である。

【図３】３０度入射の青反射ダイクロイックミラーの分
光特性を示す図である。

【図４】非点収差除去の説明図であり、（ａ）が斜視
図、（ｂ）が平面図である。

【図５】３０度入射時のシミュレーション結果であり、
（ａ）が主光線傾角対デフォーカス量、（ｂ）が主光線
傾角対ＭＴＦを表す図である。

【図６】本発明の一実施例を表す光学系の平面図であ
る。

【図７】入射角度に対する投写型液晶表示装置サイズの
説明図である。

【符号の説明】

１光源２，３ダイクロイックミラー４反射ミラー５液晶ライトバルブ６，７偏光板８，９ダイクロイックミラー１０投写レンズ１１収差補正ガラス６１，６２ダイクロイックミラー６３，６４ダイクロイックミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を分離する光
分離手段と、前記光分離手段からの光を変調する液晶ラ
イトバルブと、前記液晶ライトバルブからの変調された
光を合成する光合成手段と、前記光合成手段からの光を
投写する投写レンズとを有する投写型液晶表示装置にお
いて、前記光分離手段および光合成手段への光の入射角
度が、２０度から４０度の間であり、前記液晶ライトバ
ルブと前記投写レンズとの間に、前記光合成手段と光学
的に等価な収差補正ガラスを前記光合成手段に対してね
じれの位置に、光の入射角度が同一になるように挿入し
たことを特徴とする投写型液晶表示装置。
【請求項２】前記収差補正ガラスへの光の入射角度
が、前記光合成手段への光の入射角度と異なるように、
前記収差補正ガラスを挿入したことを特徴とする請求項
１に記載の投写型液晶表示装置。
【請求項３】前記投写レンズに最も近い光合成手段を
透過する光路を緑色用光路とし、該緑色用光路中の前記
液晶ライトバルブと前記投写レンズとの間に前記収差補
正ガラスを挿入したことを特徴とする請求項１または２
に記載の投写型液晶表示装置。
【請求項４】光を変調する液晶ライトバルブはＴＮ型
液晶を用いた液晶ライトバルブであることを特徴とする
請求項１〜３のいずれかに記載の投写型液晶表示装置。