JPH0816828B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

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
照射するととも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なうために、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
来からよく知られている。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、光源を強く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写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、SID87
ダイジェスト第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から投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
板型の青反射ダイクロイックミラー６と平板型の緑反射
ダ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
セントリックの投写レンズ18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17は４つの直角プ
リズム19,20,21,22を接合したプリズム型のダイクロイ
ックミラーであり、接合面23,24に赤反射ダイクロイッ
ク多層膜が、接合面25,26に青反射ダイクロイック多層
膜が蒸着されている。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くしている。

第５図に示した投射型表示装置は、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問題がある。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問題が
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原色の光に分解するために２枚の平板型
ダイクロイックミラーを入射光光軸に対して約45度傾け
て略平行に配置した色分解手段と、映像信号に応じた光
学像が形成され前記色分解手段からの各出力光がそれぞ
れ照射される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、前記色分解手段を直進して出射する光
を対応するライトバルブに導く光伝達手段と、前記色分
解手段の第１の平板型ダイクロイックミラーにより折り
曲げられて出射する光を対応するライトバルブに導く平
面ミラーとを備え、前記色分解手段の第２の平板型ダイ
クロイックミラーにより折り曲げられて出射する光は前
記光合成手段を直進するようにし、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間に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、前記光伝達
手段の光路中に前記光源内の発光体の実像が形成される
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。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
伝達手段の内部で光が拡がることによる光利用効率の低
下を防ぐので、光利用効率を向上させた投与型表示装置
を実現できる。

実施例 以下、本発明の一実施例の投写型表示装置について、
図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１の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は平面ミラー、41,42,43はライトバルブ、44
は光合成手段、45は投与レンズである。38の色分解手段
において、46は青反射の平板型ダイクロイックミラー、
47は縁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、48,49が光軸37と45度の角度をなすように配
置してある。39の光伝達手段において、50は入力部収束
レンズ、51は入力側平面ミラー、52は中央部収束レン
ズ、53は出力側平面ミラー、54は出力部収束レンズであ
る。なお、第１図に示した構成は、光伝達手段39を除け
ば、第５図に示した従来例の構成と同一である。

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てある。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。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、青の光は平面ミラー40を
介して、それぞれ対応するライトバルブ41,42,43に入射
する。ライトバルブ41,42,43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41,42,43からの出力光は光合成
手段44により１つに合成されて、実質的にライドバルブ
42の位置にカラー画像が合成される。このカラー画像は
投与レンズ45によりスクリーン（図示せず）上に拡大投
写される。

投与レンズ45はテレセントリックレンズであり、投与
レンズ45のライトバルブ側の主光線がすべて光軸37と平
行になるようにしている。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
光学的特性が異なるという性質があり、通常の投写レン
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
けるにはテレセントリックの投与レンズを用い、投与レ
ンズに入射するすべての主光線を平行にするのがよい。

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50と、入力側平面
ミラー51と、中央部収束レンズ52と、出力側平面ミラー
53と、出力部収束レンズ54とで構成されている。入力部
収束レンズ50と出力部収束レンズ54とは同一であり、そ
れらの焦点距離は中央部収束レンズ52の焦点距離の２倍
となっている。入力部収束レンズ50と出力部収束レンズ
54とはそれらの焦点がともに中央部収束レンズ52の中心
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50と中央部収束レンズ52との
間に入力側平面ミラー51が配置され、中央部収束レンズ
52と出力部収束レンズ54との間に出力側平面ミラー53が
配置されている。入力部収束レンズ50と出力部収束レン
ズ54とを平凸レンズとし、平面55,56を中央部収束レン
ズ52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52を両面57,58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52で発生する収差を大き
くしないためである。

以下に、第２図に示した光伝達手段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45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、収束レンズ52の焦点距離と収束レンズ50,52,
54の位置の関係から、中央部収束レンズ52により入力部
収束レンズ50の中心付近59にある物体60の実像61が出力
部収束レンズ54の中心付近62にでき、この物体60と実像
61とは同じ大きさである。このため、入力部収束レンズ
50の任意の位置から中央部収束レンズ52の任意の位置に
入射する光線は必ず出力部収束レンズ54に入射する。し
かも、ライトバルブ41,42,43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50の焦点と出力部収束レン
ズ54の焦点とがともに中央部収束レンズ52の中心63の近
傍にあり、中央部収束レンズ52の中央付近は屈折力がな
いので、光軸37と平行に入力部収束レンズ50の周辺に入
射した光線64は中央部収束レンズ52の中心63をそのまま
通過し、出力部収束レンズ54の周辺を通過して、光軸37
と平行に出射する。このため、ランプ31の発光体35の中
心36から出た光線が集合レンズ32で屈折して光軸37と平
行に出射する場合、集光レンズ32と入力部収束レンズ50
とにより、ランプ31の発光体35の実像65が中央部収束レ
ンズ52の中央63に形成される。

第３図からわかるように、ランプ31の発光体35の中心
36から出て集光レンズ32から出射する光線と、出力部収
束レンズ54から出射する光線とは光軸37と平行であるの
で、投写レンズ45の入力光側の主光線は赤，緑，青の光
のいずれも光軸37と平行となる。投与レンズ45がテレセ
ントリックレンズであるので、ライトバルブ41,42,43か
ら出射した光は効率良く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50から
出力部収束レンズ54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51,53を配置する空
間は十分に確保できる。

次に具体的な数値例を用いて説明する。

ライトバルブの表示寸法が40mm×60mm、投写レンズ45
が焦点距離150mm,明るさF2.5、入力部収束レンズ50と出
力部収束レンズ54とが焦点距離130mm、中央部収束レン
ズ52が焦点距離65mm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50％であったが、第１図に示した構成で
は、赤のライトバルブ41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、明らかに光利用効率の向上
が認められた。

次に、本発明の第２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50と
出力部収束レンズ54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
66と出力部収束レンズ67とは同一の両凸レンズであり、
ともに曲率の小さい面68,69を中央部収束レンズ52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52に向いた
面68,69の曲率半径が他方の面の曲率半径の約２倍であ
る両凸レンズを用いる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66と出力部
収束レンズ67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50と、中央部収束レン
ズ52と、出力部収束レンズ54との少なくとも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内で光
が拡がることによる損失をさら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。

第２図に示した構成では、入力部収束レンズ50と出力
部収束レンズ54とを同一の平凸レンズとし、３種の収束
レンズ50,52,54の焦点距離の関係と位置の関係とを規定
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比を図ることもでき
る。

第１図では、ライトバルブ41,42,43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
図では光合成手段としてプリズム型のダイクロイックミ
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、平板型のダ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
実施例と同様の作用と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、非常に大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１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
型表示装置に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略線
図、第４図は本発明の第２の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、4
1,42,43……ライトバルブ、４……光合成手段、45……
投写レンズ、50……入力部収束レンズ、51……入力側平
面ミラー、52……中央部収束レンズ、53……出力側平面
ミラー、54……出力部収束レンズ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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原色の光に分解するための第
   １および第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、映像信号に応じて光学像が形成
   され前記色分解手段からの各出力光がそれぞれ照射され
   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、平面ミラーと、光伝達光学系とを備え、前記色分
   解手段の第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の色の光は前記平面ミラーを介して対応す
   る前記ライトバルブに導き、前記色分解手段の第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
   の光はそのまま直進して対応する前記ライトバルブと前
   記光合成手段を通過して前記投写レンズに入射せしめ、
   前記色分解手段を直進して出る第３の色の光は前記光伝
   達手段を介して対応する前記ライトバルブに導き、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の焦点距離と前記出力部収束
   レンズの焦点距離とは、前記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、それらの焦点がともに前記中央部収束
   レンズの略中心にくるように配置し、前記中央部収束レ
   ンズの中心近傍に前記光源内の発光体の実像が形成され
   るようにしたことを特徴とする投写型表示装置。
2. 【請求項２】光源から出射する光と光伝達手段から出射
   する光とは平行光に近く、投写レンズはテレセントリッ
   ク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。
3. 【請求項３】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特徴とする請求項（１）記載
   の投写型表示装置。
4. 【請求項４】入力部収束レンズと出力部収束レンズとは
   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. 【請求項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。
6. 【請求項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同一の平凸レン
   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. 【請求項７】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。