JPH11249077A

JPH11249077A - 表示光学系

Info

Publication number: JPH11249077A
Application number: JP4665698A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 宏太郎林; Kenji Konno; 賢治金野; Shunta Takimoto; 俊太瀧本; Yasumasa Sawai; 靖昌澤井
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】反射型ＬＣＤのように正反射特性を持つ反射型
表示パネルを用いても、簡単な構成及び低コストで、照
明光の光路と投影光の光路とを分離する事ができ、投影
光学系の構成も容易であり、しかもレンズ枚数が少なく
て小型である表示光学系を提供する。【解決手段】反射型ＬＣＤパネル６と、それに照明光を
照明する、光源１，リフレクター２，照明光学系３，照
明側偏光板４の構成と、前記反射型ＬＣＤパネル６によ
り選択的に偏光面を回転させられた投影光のみを通過さ
せて画像を形成する、投影側偏光板７，投影光学系８の
構成とを備え、前記照明光の反射型ＬＣＤパネル６に対
する入射角と反射角とが、正反射の関係とはならないよ
うに入射−反射角特性を変換する、回折格子を持つ反射
角変換光学系５を設け、前記入射角と前記反射角との和
が１５゜乃至４０゜の範囲内である構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型表示パネル
を用いた表示光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、透過型ＬＣＤ（Liquid Crystal D
isplay，液晶表示）よりも表示効率の高い反射型ＬＣＤ
が注目されている。この反射型ＬＣＤは、反射型表示パ
ネルとして、その表面に入射した照明光を、入射角と逆
符号でほぼ同じ角度の反射角で反射し、いわゆる正反射
の投影光として射出させる働きを持つ。従来より、この
反射型ＬＣＤを用いた表示光学系として、その表面に対
してほぼ垂直方向から照明し、垂直方向に投影光が射出
するようにして、この投影光を投影光学系に通過させる
事により、像を形成するものが提案されている。

【０００３】その表示光学系の従来例の構成を図９に示
す。同図において、２１は光源、２２は光源２１に連結
され、光源２１からの光を反射して集光するリフレクタ
ー、２３はリフレクター２２の前部に配設され、後述の
反射型ＬＣＤを効率よく、ムラなく照明するための照明
光学系、２４は偏光ビームスプリッタ、２５は反射型Ｌ
ＣＤ、２６は投影光学系、２７はスクリーンである。

【０００４】同図に示すように、光源２１及びリフレク
ター２２から出た照明光は、照明光学系２３を通過して
偏光ビームスプリッタ２４に入射する。そして、偏光ビ
ームスプリッタ２４によりＳ偏光の光束のみ反射され、
これが反射型ＬＣＤ２５の表面に垂直に入射する。垂直
に入射した照明光は、反射型ＬＣＤ２５により画素ごと
に選択的にＰ偏光に変換されて正反射される。反射型Ｌ
ＣＤ２５から垂直に正反射されたこの投影光は、Ｐ偏光
のみ偏光ビームスプリッタ２４を通過して、投影光学系
２６によってスクリーン２７に結像する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反射型
ＬＣＤは、垂直に入射した照明光を垂直に反射するとい
う正反射特性を持っているため、上記のような構成で
は、照明光と投影光とがほぼ同じ光路を逆に通るため、
照明光の光路と投影光の光路とを分離するためのもの、
例えば上述の偏光ビームスプリッタのようなものが必要
となり、大きなガラスブロックや多層の薄膜処理を採用
しなければならず、コストアップとなる。

【０００６】また、偏光ビームスプリッタは、反射型Ｌ
ＣＤからの反射光（投影光）の偏光面の向きにより、通
過させる光束をより分けるが、ガラスブロック内の均質
ムラにより偏光面の乱れが生じ、不用な光線成分を通過
させて、コントラストの低下を招いてしまう事がある。
この、照明光の光路と投影光の光路との分離を容易にす
るためには、反射型ＬＣＤの表面に対して斜め方向から
照明すれば良い。ところが、その場合は正反射特性によ
り、投影光は逆の斜め方向に射出する事となるが、斜め
方向に射出した投影光に基づいて、反射型ＬＣＤと共役
で良好な像を形成する投影光学系を構成する事は、非常
に困難である。

【０００７】これを解決する方法として、特開平５−５
３９２２号公報に記載されているようなものが提案され
ている。これは、反射型ＬＣＤの正反射特性を変換する
光学部材として、楔プリズムを反射型ＬＣＤの直前に配
置する事で、反射型ＬＣＤの斜め方向から照射した照明
光に対して、楔プリズムを介してＬＣＤで反射し、ＬＣ
Ｄのほぼ垂直方向に投影光が出るようにしているもので
ある。

【０００８】しかし、実際に照明光の光路と投影光の光
路とを分離するためには、パネルへの入射角と反射角と
の和が２０゜〜３０゜程度必要であるが、これを達成す
るプリズムの楔角度も２０゜〜３０゜となり、楔による
大きな非点格差が発生してしまう。楔角度を収差の影響
のない１０゜程度とすると、照明光の光路と投影光の光
路とをうまく分離する事ができない。

【０００９】本発明は、これらの問題点に鑑み、反射型
ＬＣＤのように正反射特性を持つ反射型表示パネルを用
いても、簡単な構成及び低コストで、照明光の光路と投
影光の光路とを分離する事ができ、投影光学系の構成も
容易であり、しかもレンズ枚数が少なくて小型である表
示光学系を提供する事を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、反射型表示パネルと、その反射型表示
パネルに第１の所定の特性を持った照明光を照明する照
明光学装置とを有し、前記反射型表示パネルは、表面を
複数の画素に分割され、その表面に入射した前記照明光
を、前記画素ごとに選択的に第２の所定の特性を持つよ
うに変換し或いは変換しないまま、投影光として正反射
するものであって、前記第２の所定の特性を持つ投影光
のみを通過させて画像を形成する投影光学装置を備えた
表示光学系において、前記照明光の前記反射型表示パネ
ルに対する入射角と、前記投影光のその反射型表示パネ
ルに対する反射角とが、正反射の関係とはならないよう
に入射−反射角特性を変換する反射角変換光学系を設
け、前記入射角と前記反射角との和が１５゜乃至４０゜
の範囲内であり、前記反射角変換光学系は、回折格子を
持つ構成とする。

【００１１】前記所定の特性とは、例えば所定の偏光面
を持つ事であり、前記照明光学装置から出た、所定の偏
光面に制限された光束が、前記反射型表示パネルにより
各画素ごとに選択的に偏光面を９０゜回転させされ、或
いは回転させられないまま反射されて、前記投影光学装
置に入射する。その投影光学装置においては、偏光面が
９０゜回転した光線のみ通過し、画像を形成する構成と
する事ができる。

【００１２】また、前記反射型表示パネルは、反射型液
晶表示パネルである構成とする。或いは、前記反射角変
換光学系は、回折格子である構成とする。さらに、前記
回折格子はブレーズ型である構成とする。或いは、前記
反射角変換光学系は、反射型液晶表示パネルの反射面を
ブレーズ型回折格子としたものである構成とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第
１の実施形態の全体構成図である。同図において、１は
光源、２は光源１を取り囲むように配置され、光源１か
らの光をほぼ平行にする例えば放物面形状をしたリフレ
クター、３はリフレクター２の斜め下方に配設され、後
述の反射型ＬＣＤパネルを効率よく、ムラなく照明する
ための照明光学系、４はその斜め下方に配設された照明
側偏光板、更にその先に４に対して斜め向きに配設され
る５はＤＯＥ（回折格子）を用いた反射角変換光学系、
その下方に配設される６は反射型表示パネルとしての反
射型ＬＣＤパネルである。

【００１４】また、反射角変換光学系５の上方に配設さ
れる７は投影側偏光板、その上部の８は投影光学系、更
にその上方に配設される９はスクリーンである。尚、１
０は投影光学系８に設けられた絞りである。また、上記
１〜４までの構成を特許請求の範囲で言うところの照明
光学装置、７，８の構成を同じく投影光学装置と呼ぶ。

【００１５】同図に示すように、光源１からの直接光及
びリフレクター２の反射光が混在した照明光は、照明光
学系３を通過し、更に照明側偏光板４を通過して光束を
所定の偏光面に制限された上で、反射角変換光学系５に
入射する。ここでの光の挙動は後に示す図２で詳述す
る。反射角変換光学系５を通過した照明光は、反射型Ｌ
ＣＤパネル６により各画素ごとに選択的に偏光面を９０
゜回転させられ、或いは回転させられないまま反射され
て、再び反射角変換光学系５を経て投影側偏光板７に入
射する。投影側偏光板７においては、反射型ＬＣＤパネ
ル６からの反射光（投影光）の内、偏光面が９０゜回転
した光線のみ通過する。投影側偏光板７を通過した投影
光は、テレセントリックな光学系である投影光学系８に
よってスクリーン９に結像する。

【００１６】尚、照明光学系３は、図１においては凸レ
ンズ１枚のみで示しているが、レンズアレイを用いたイ
ンテグレータや、液晶に必要な所定の偏光面の光束以外
の光束を捨てずに所定の偏光面に変換させて照明に利用
する偏光変換光学系等を使ったものにすると、より効率
よく、ムラなく照明する事ができる。

【００１７】図２は、反射角変換光学系５及び反射型Ｌ
ＣＤパネル６の光路イメージ図である。同図に示すよう
に、反射角変換光学系５は、平板の反射型ＬＣＤパネル
６側の面にブレーズ型（鋸歯型）のＤＯＥを持ち、反射
型ＬＣＤパネル６に接近して配置される。パネル側に回
折格子を有するのは、回折格子をできるだけパネルに近
づけ、回折による色収差を低減するためである。同図に
おいては、説明のため離して示している。

【００１８】反射角変換光学系５に対して入射角３４゜
で入射した照明光Ａは、ここで入射角１７゜に変換さ
れ、反射型ＬＣＤパネル６に入射する。この入射光は、
反射型ＬＣＤパネル６で正反射され、反射角−１７゜で
射出する。この反射光は、再び反射角変換光学系５を通
過し、反射角０゜即ち反射型ＬＣＤパネル６に対して垂
直方向に、投影光Ｂとして射出する。

【００１９】結局、反射角変換光学系５を付加した反射
型ＬＣＤパネル６は、入射角３４゜の照明光に対して反
射角０゜の投影光を射出する事となり、入射角と反射角
との差は３４゜となる。尚、入射角と反射角との差は、
入射−反射角特性と呼称し、上記のように符号付きでそ
れぞれ表現した入射角，反射角に対して、「入射角＋反
射角」で定義する。この入射角と反射角との差は、１５
゜〜４０゜の範囲内である事が望ましい。これにより光
学系の小型化を図る事ができる。ちなみに正反射の場合
は０゜となる。

【００２０】反射型ＬＣＤパネル６に対して３４゜で照
明した照明光Ａは、０゜で投影光Ｂとして射出するの
で、図１に示す投影光学系８はテレセントリックな共軸
光学系となる。このような構成にすると、従来使用され
ていたような偏光ビームスプリッタ等の照明光，投影光
の分離手段が不用となり、コストダウンを図る事ができ
る。

【００２１】尚、反射角変換光学系５に用いたブレーズ
型のＤＯＥは、図２に示すように概ねピッチ２μｍ，高
さ１μｍの三角形状である。以下に、本実施形態におけ
る投影光学系のコンストラクションデータを示す。デー
タ中で＊印をつけた面は非球面であり、非球面係数及び
非球面を表す式も続いて示している。光学系の構成要素
の位置関係は、図１に示すように、紙面に平行で投影光
学系８の光軸方向であるＸ軸と、それと直角を成すＹ軸
及び紙面に垂直のＺ軸が示す３次元座標により表され
る。これは、後述する構成図である図４，図６において
も同様である。

【００２２】また、図３にこの投影光学系の収差図を示
す。同図の球面収差図において、実線（ｄ）はｄ線にお
ける球面収差を表し、破線（ｓｃ）は正弦条件を表して
いる。また、非点収差図において、実線（ＤＳ）と破線
（ＤＭ）は、それぞれサジタル光束とメリディオナル光
束の非点収差を表している。尚、本実施形態において
は、照明光の光路と投影光の光路とを完全に分離するた
め、投影光学系に長めのレンズバック、即ち以下に示す
ｒ１７と像面との間隔を必要としたが、これにこだわる
わけではなく、全反射プリズムを用いて光路を分離する
方法も利用する事ができる。

【００２３】〔面番号〕〔曲率半径〕〔軸上面間隔〕〔ｄ線屈折率〕〔アッベ数〕物体面(スクリ-ン9) ∞ 845 AIR ｒ１ 169.96419 10.000000 1.493000 58.3432 ＊ｒ２ 35.08970 7.487588 AIR ｒ３ 116.64822 3.800000 1.754500 51.5700 ｒ４ 35.94527 7.220790 AIR ｒ５ 145.22633 10.000000 1.798500 22.6000 ｒ６ 183.34358 50.427720 AIR ｒ７ -1150.61590 7.976524 1.636072 31.0372 ｒ８ -61.60857 27.350425 AIR 絞り１０ ∞ 29.006144 AIR ｒ１１ -2064.89337 12.505885 1.509427 67.4374 ｒ１２ -29.69479 3.893375 1.847209 25.5256 ｒ１３ -85.56005 23.514512 AIR ｒ１４ -150.33264 11.260397 1.505740 64.6729 ｒ１５ -52.79312 0.100000 AIR ＊ｒ１６ -188.19976 10.583298 1.493000 58.3432 ｒ１７ -51.15607 80.000179 AIR 像面(LCDハ゜ネル6) ∞

【００２４】〔第２面（r2）の非球面係数〕 ε= 1.0 A=-0.299686×10^-5 B= 0.276652×10^-9 C=-0.267340×１０^−１１Ｄ＝０．００００００

【００２５】〔第１６面（ｒ１６）の非球面係数〕 ε= 1.0 A=-0.207988×10^-5 B= 0.260358×10^-10 C=-0.130976×10^-12 D= 0.000000

【００２６】〔非球面を表す式〕ｘ＝ｆ（ｙ，ｚ）＝ｃｒ²／｛１＋（１−εｃ
²ｒ²）^1/2｝＋Ａｒ⁴＋Ｂｒ⁶＋Ｃｒ⁸＋Ｄｒ¹⁰ この式において、ｒ＝（ｙ²＋ｚ²）^1/2 ε：２次曲面パラメータｃ：曲率（曲率半径ｃｒの逆数）

【００２７】図４は、本発明の第２の実施形態の全体構
成図である。本実施形態では、第１の実施形態で用いた
反射角変換光学系５の代わりに、楔形でパネル側に回折
格子を有する反射角変換光学系５′を用いる。その他の
構成は、図１で示した第１の実施形態と同様である。図
５は、反射角変換光学系５′及び反射型ＬＣＤパネル６
の光路イメージ図である。同図に示すように、反射角変
換光学系５′は、平板の反射型ＬＣＤパネル６側の面に
ブレーズ型（鋸歯型）のＤＯＥを持ち、反射型ＬＣＤパ
ネル６に接近して配置される。同図においては、説明の
ため離して示している。

【００２８】反射角変換光学系５′に所定の入射角で入
射した照明光Ａは、ここで入射角を変換され、反射型Ｌ
ＣＤパネル６に入射する。この入射光は、反射型ＬＣＤ
パネル６で正反射されて射出する。この反射光は、再び
反射角変換光学系５′を通過し、ここで反射角を変換さ
れ、投影光Ｂとして射出する。

【００２９】第１の実施形態においては、反射角変換光
学系は平板状であり、反射型ＬＣＤパネルと向き合わな
い面は特に寄与していなかったが、第２の実施形態にお
いては、反射角変換光学系５′における傾きを持った弱
い楔面Ｃが、反射角変換に作用する。第１の実施形態の
ように、反射角変換がＤＯＥのみで行われた場合、その
ＤＯＥによる色収差が若干の横色収差となってしまい、
反射型ＬＣＤパネルの像を投影光学系を通して結像させ
たときに、若干の色ズレとして出現する。第２の実施形
態においては、弱い楔面ＣとＤＯＥによる色消し作用に
より、この横色収差を低減している。

【００３０】また、反射角変換光学系に弱い楔面を用い
た事により発生する像面の傾きを抑えるため、投影光学
系８の光軸方向即ち投影光Ｂの射出方向に対して、反射
型ＬＣＤパネル６は垂直よりも若干傾かせている。

【００３１】図６は、本発明の第３の実施形態の全体構
成図である。同図において、１１は反射型ＬＣＤパネル
であるが、ここではその反射面そのものに、反射ブレー
ズ型ＤＯＥを持つ反射角変換光学系を組み込んだものと
している。その他の構成は、第１の実施形態と同様であ
る。

【００３２】図７は、その反射型ＬＣＤパネル１１の縦
断面を拡大して示す図である。同図に示すように、パネ
ルの表面にはカバーガラス１１ａが設けられ、その下部
には液晶層１１ｂが設けられている。引き続きその下部
には、液晶に接する面を平坦にする保護層１１ｃを介し
て、反射ブレーズ型ＤＯＥ１１ｄが組み込まれている構
成である。この構成により、照明光Ａに対する投影光Ｂ
の、いわゆる入射−反射角特性を、正反射とは異なるも
のとしている。この、第３の実施形態で用いる反射ブレ
ーズ型ＤＯＥは、第１，第２の実施形態で示した透過式
のブレーズ型ＤＯＥに比べて、格子高さが１／４程度で
よい。

【００３３】ＤＯＥを持たない通常の反射型ＬＣＤパネ
ルは、第１，第２の実施形態で用いた反射型ＬＣＤパネ
ル６の如く、図８に縦断面を拡大して示すように、パネ
ルの表面にカバーガラス６ａが設けられ、その下部に液
晶層６ｂが設けられ、引き続きその下部に金属の電極を
兼ねた反射面６ｃが組み込まれていて、照明光Ａに対し
て投影光Ｂは正反射となる。このため、別途反射角変換
光学系が必要となる。

【００３４】上述したように、第１の実施形態乃至第３
の実施形態は、スクリーンに反射型表示パネルの像を結
像させるプロジェクターとして示したが、これにこだわ
るものではなく、例えば投影光学系を、虚像を形成する
光学系として構成し、この虚像を観察者に見せるいわゆ
るビューファインダーとしても良い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反射型ＬＣＤのように正反射特性を持つ反射型表示パネ
ルを用いても、簡単な構成及び低コストで、照明光の光
路と投影光の光路とを分離する事ができ、投影光学系の
構成も容易であり、しかもレンズ枚数が少なくて小型で
ある表示光学系を提供する事ができる。

【００３６】特に、請求項１によるならば、従来使用さ
れていたような偏光ビームスプリッタ等の照明光，投影
光の分離手段が不用となり、コストダウンを図る事がで
き、また、光学系全体の小型化を図る事ができる。

【００３７】また、請求項２によるならば、反射型ＬＣ
Ｄ（液晶表示）パネルを用いる事により、手軽で安価な
構成とする事ができる。

【００３８】また、請求項３によるならば、回折格子を
用いる事により、非点格差が生じなくなるため、投影に
よる画質の劣化が生じ難くなる。

【００３９】また、請求項４によるならば回折格子をブ
レーズ型とする事により、効率のよい回折を行う事がで
きる。

【００４０】そして、請求項５によるならば、反射型Ｌ
ＣＤと反射ブレーズ型回折格子とを一体化する事によ
り、低コストでコンパクトな光学系を得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の全体構成を示す縦断
面図。

【図２】反射角変換光学系及び反射型ＬＣＤパネルの光
路イメージ図。

【図３】第１の実施形態における投影光学系の収差図。

【図４】本発明の第２の実施形態の全体構成を示す縦断
面図。

【図５】反射角変換光学系及び反射型ＬＣＤパネルの光
路イメージ図。

【図６】本発明の第３の実施形態の全体構成を示す縦断
面図。

【図７】反射角変換光学系を組み込んだ反射型ＬＣＤパ
ネルの縦断面図。

【図８】通常の反射型ＬＣＤパネルの縦断面図。

【図９】表示光学系の従来例の構成を示す図。

【符号の説明】

１光源２リフレクター３照明光学系４照明側偏光板５反射角変換光学系６，１１反射型ＬＣＤパネル７投影側偏光板８，投影光学系９スクリーン１０絞り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀧本俊太大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者澤井靖昌大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射型表示パネルと、該反射型表示パネ
ルに第１の所定の特性を持った照明光を照明する照明光
学装置とを有し、前記反射型表示パネルは、表面を複数の画素に分割さ
れ、該表面に入射した前記照明光を、前記画素ごとに選
択的に第２の所定の特性を持つように変換し或いは変換
しないまま、投影光として正反射するものであって、前記第２の所定の特性を持つ投影光のみを通過させて画
像を形成する投影光学装置を備えた表示光学系におい
て、前記照明光の前記反射型表示パネルに対する入射角と、
前記投影光の該反射型表示パネルに対する反射角とが、
正反射の関係とはならないように入射−反射角特性を変
換する反射角変換光学系を設け、前記入射角と前記反射
角との和が１５゜乃至４０゜の範囲内であり、前記反射
角変換光学系は、回折格子を持つ事を特徴とする表示光
学系。
【請求項２】前記反射型表示パネルは、反射型液晶表
示パネルである事を特徴とする請求項１に記載の表示光
学系。
【請求項３】前記反射角変換光学系は、回折格子であ
る事を特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
【請求項４】前記回折格子はブレーズ型である事を特
徴とする請求項３に記載の表示光学系。
【請求項５】前記反射角変換光学系は、反射型液晶表
示パネルの反射面をブレーズ型回折格子としたものであ
る事を特徴とする請求項２又は請求項４に記載の表示光
学系。