JP2000010046A - 投射光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】画素ずれがないフルカラーの投射像を得る。 【解決手段】光源１、フィールドレンズ７、１７、２
７、反射層を持つ液晶表示素子８、１８、２８、色分離
合成ダイクロイックミラー５、６、投射手段３が配置さ
れ、各フィールドレンズの中心厚、曲率半径または光軸
上の位置をスクリーン１０上の軸上倍率、横倍率がほぼ
一致するように設定し、投射像の画素ずれを１／３画素
以内とした投射光学装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は透過散乱型の表示素
子を採用した反射型の投射光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投射型光学装置は画像を一定の距離だけ
離れたスクリーンに投射し、直視型の光学装置に比べて
大きな画像を得ることを目的とする。投射型光学装置に
使用可能な、光散乱性を有する光学素子としては、サス
ペンジョンディスプレー素子、レーザ書き込みモード液
晶素子やダイナミック・スキャッタリングの液晶素子な
どが従来から知られていた。

【０００３】ＳＩＤプロシーディングズ Ｖｏｌ．１８
／２ １９７７年、１３４〜１４６頁、「ライトバルブ
のためのプロジェクションシステム」（従来例１）は各
種の光変調手段とシュリーレン光学系とを組み合わせた
投射光学装置を示した。光変調手段として、ＰＬＺＴや
液晶素子が例示され、透過型の構成以外に反射型の投射
光学装置の構成も示された。

【０００４】また、液晶／高分子複合体素子、液晶／樹
脂複合体素子、または分散型液晶素子などと呼ばれ、電
界駆動で高い散乱性能と透過率を有し、ＴＮ液晶素子や
ＳＴＮ液晶素子よりも明るく、コントラストの高い表示
を行うことができる透過散乱型の液晶光学素子および平
行光化レンズを用いた反射型の投射型光学装置に関する
発明が特開平５−１９６９２３号公報（従来例２）や、
特開平７−５４１９公報（従来例３）に示された。

【０００５】また、透過散乱型の液晶光学素子を反射型
素子として用い、白色光源をＢＧＲの３色に色分離した
後、各々の色光を変調する３個の反射型表示素子および
平行光化レンズを用いたカラー投射型液晶表示装置が知
られていた。例えば、特開平４−１４２５２８号公報
（従来例４）の第５図、特開平４−２３２９１７号公報
（従来例５）の第１図に記載されている。

【０００６】これらの従来例では何れも、光源光学系の
集光鏡として楕円鏡を用い、光源光学系から出射された
発散光を１個の凸レンズによって平行光化した後、３個
の透過散乱型・反射型の液晶光学素子へ入射せしめる。
色分離合成系としては、互いに４５°で交差するダイク
ロイックプリズムが、平行光化用凸レンズと反射型素子
との間に配置された。

【０００７】また、光源光学系の光源光束の利用効率を
少しでも上げ、かつ、投射画面内の照度分布をできるだ
け均一にするようなインテグレーターレンズ等の補助光
学素子が光源光学系に組み込まれていた（従来例６）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術にお
いて、平行光化レンズは照明光学系の開口部から出射す
る光束をほぼ平行光化して反射型液晶表示素子の面内に
入射させる。さらに、この表示素子の反射面で反射した
後、表示素子面外に出射してくる光束を投射光学系の開
口絞り位置付近に、光源光学系の開口部とほぼ等倍で結
像させる機能を有する。

【０００９】しかし、平行光化レンズとして、両凸また
は平凸球面レンズの使用が示されただけで、その形状は
厳密に開示されていなかった。さらに、平行光化レンズ
の形状の違いによるスクリーン上での投射画像の画素ず
れについて、具体的な問題点や解決手法について全く言
及されていなかった。

【００１０】これらの従来技術を光線追跡法で評価して
みると、Ｇ、Ｂ、Ｒ各波長の像高は全く同じであり、投
射レンズに対するスクリーン面位置も同じである。すな
わち、各波長色の光軸方向の倍率が異なっていた。つま
り、光線可逆の原理により、スクリーン上の投射画面サ
イズが異なることが明らかであり、たとえ各波長色の像
面上の横収差が良好であっても画素ずれの大きい投射画
像となっていた。

【００１１】実際には、各波長の表示素子に対する光軸
方向の調整と、解像力深度による寄与もあり、適切な調
整を行うことで、縦横で各１／２画素以内程度の画素ず
れレベルを得ることも可能であった。つまり、従来の投
射光学装置では、ＲＧＢ３色の各画素の最大画素ずれ
は、同一表示画素の位置がずれていない範囲、すなわち
１画素未満であれば、どうにか表示として視認できる、
実用上は許容されていた。

【００１２】しかし、投射画像の大きさの変化に対して
も、所望の画素ずれに押えること、および所望の表示品
位の画像性能を常に得る必要があることはいうまでもな
い。従来技術では、光学系の基本設計の段階で、既に一
定の画素ずれを起こす可能性を内包していたのである。
また、光学系の調整を行うことが困難で時間と労力を費
やすものであり、生産性が悪いものであった。

【００１３】これらの課題を解決する手段の一つとして
は、各波長色のフィールドレンズまたは液晶表示素子の
いずれかを光軸方向に独立に動かして調整することが挙
げられる。しかし、軸上倍率（光軸方向の倍率）と横倍
率（像面上の倍率）の両者を同時に満たすように調整す
ることは非常に困難で煩雑な作業となり、かつ、どんな
に時間をかけても不可能な場合もある。また、たとえ、
画素ずれを許容範囲内に調整し得たとしても、各波長色
に対する前記両倍率を合わせた合成画像の最良性能像面
が得られにくく、低品位の投射像になる可能性が高いも
のであった。

【００１４】以上のように、反射型液晶表示装置の投射
画面上の画素ずれが大きな問題となっていた。そして、
投射倍率が変わってもスクリーン画面上に各波長色のス
クリーン上の倍率がほとんど同じで画素ずれが少なく、
かつ最良画像性能の像面の組み合わせで投射される、高
性能な反射型液晶表示装置が望まれていた。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の第１
の態様は、光源と、色分離手段と、色合成手段と、レン
ズ手段と、反射層が備えられた複数の表示手段と、投射
手段とが設けられ、各表示手段の近傍にレンズ手段が配
置され、光源から発した光源光は色分離手段によって複
数の色光に色分離され、複数の色光は対応したレンズ手
段を通過せしめられ対応した表示手段に入射され、反射
層によって反射され、表示手段から出射され、前記レン
ズ手段を通過せしめられ、色合成手段により色合成され
てカラー表示光とされ、１つの色光の投射画像を基準画
像とし、この基準画像に対する他の色光による投射画像
のずれ量が、全画面域で１／３画素以内になるように、
レンズ手段の光軸方向の位置、中心厚み、曲率半径の３
要素のうちの、いずれか２つ以上の要素を含む補正が行
われた投射光学装置を提供する。

【００１６】また、第２の態様は、色分離手段および色
合成手段の機能を備える部材として第１の色分離合成ダ
イクロイックミラーと第２の色分離合成ダイクロイック
ミラーがＶ字状に配置され、投射手段の投射光軸とそれ
ぞれ交差する角度が＋２０°〜＋４０°および−２０°
〜−４０°に設定され、光源光は３つの色光に分離さ
れ、３枚の表示手段が配置され、レンズ手段はそれぞれ
の表示手段に対し１枚ずつ配置された態様１記載の投射
光学装置を提供する。

【００１７】なお、第１の色分離合成ダイクロイックミ
ラーと第２の色分離合成ダイクロイックミラーの空間的
配置は、投射手段の投射光軸、投射光軸の垂面、および
２枚の色分離合成ミラーの配置関係は、投射光軸を含み
かつ垂面と直交する平面内で、第１の色分離合成ミラー
は垂面と＋２０°〜＋４０°の交差角度を有し、第２の
色分離合成ミラーは垂面と−２０°〜−４０°の交差角
度を有する。

【００１８】また、態様３は、レンズ手段は両凸球面、
平凸球面もしくは凸メニスカス球面形状、または両凸非
球面、平凸非球面もしくは凸メニスカス非球面形状の単
レンズが用いられ、全てのレンズ手段の全てのレンズ面
のうち、１つの色光に対応したレンズ手段の１つのレン
ズ面の曲率半径が、他の色光に対応したレンズ面の曲率
半径と異なるように設けられた態様１または２記載の投
射光学装置を提供する。

【００１９】また、態様４は、表示手段の形状がほぼ矩
形であり、その対角有効径が１〜３サイズであり、各レ
ンズ手段の形状がその表示手段の対角有効径に入出射す
る最大光束よりも大きく設けられた態様１、２または３
記載の投射光学装置を提供する。

【００２０】また、態様５の発明は、ずれ量が０．１画
素以内とされた態様１、２、３または４記載の投射光学
装置を提供する。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の構成例１の模式的な斜視
図を図１に示す。この構成例１は、光源光を２枚の色分
離合成ダイクロイックミラー５、６でＲＧＢの３種類の
色光に分光し、レンズ手段（以後、フィールドレンズと
呼ぶ）、表示手段（液晶表示素子）８、１８、２８で光
変調され反射された各色光をカラー表示光に合成する。
各表示手段の入射面にフィールドレンズとして平凸非球
面レンズが配置され、各表示手段に入射される色光をほ
ぼ平行光化する。また、変調された色光を結像光軸上で
結像し、さらに投射手段を経てスクリーン１０上に投射
像を投射する。

【００２２】そして、ＲＧＢ３色の色光の投射像はスク
リーン１０上で、１／３画素以内のずれ量で合成される
ために、見やすく高コントラスト比の投射像が得られ
る。この構成例１では、３枚のフィールドレンズ７、１
７、２７のうちの１つの色光に対応せしめられた曲率半
径と光軸上の位置（図中、Ｐ_a とＲ_a ）を基準とし、他
の色光に対応したＰ_b 、Ｒ_b 、Ｐ_c 、Ｒ_c を異なるよう
に設けた。この場合のスクリーン１０上での投射像の画
素のずれ状態を模式的に示す。

【００２３】次に、図９に本発明の構成例２の平面図を
示す。この図９では、光源系を省略しているが、楕円
鏡、楕円鏡の第１焦点に光源、第２焦点位置に、第１開
口（絞り）を配置している。光源光は、拡散性の光束と
して出射され、色分離合成手段で色光に色分離され、色
光となってレンズ手段に照射される。

【００２４】色光はレンズ手段でほぼ平行光化され、そ
の後表示手段に入射され、表示情報が付与され反射層で
反射され、表示手段から出射され、レンズ手段を通過
し、投射手段へ進行する。この場合、第１開口の実像が
第１開口近傍に生成されるように光学系が配置される。

【００２５】このように、光源光は緑波長域のＧＲ、青
波長域のＢＬ、および赤波長域のＲＥの３種類の色光に
分光され、表示手段で反射された各色光を再合成する２
枚の色分離合成ダイクロイックミラー、３板の表示手段
（液晶表示素子など）、各表示手段の光路の直前に置か
れた各１枚のフィールドレンズおよび１組の投射レンズ
手段を備えている。

【００２６】図９で、ＹＯは投射スクリーン画面幅、Ｙ
Ｇ、ＹＢ、ＹＲはそれぞれ、緑、赤、青の各波長域の色
光に対応された液晶表示素子の幅であり、全て同一寸法
である。また、α、βは、投射光学系に対する色分離合
成ダイクロイックミラーの傾角であり、ＷＧは、緑波長
の液晶表示素子の直前に置かれたフィールドレンズの焦
点距離である。同様に図示を省略するが、ＷＢ、ＷＲを
それぞれ、青波長、赤波長に対する焦点距離とする。

【００２７】ここで、符号７、１７、２７はそれぞれ
緑、青、赤波長の色光に対して、光軸上に置かれるフィ
ールドレンズである。また、Ｔ_C は各液晶表示素子の液
晶層の厚みであるが、通常０．０１ｍｍ前後で、かつ、
同じ材料、同じ厚みであるためほとんど無視できる。

【００２８】この構成例２のフィールドレンズは平凸球
面単レンズとした。表１において、この平凸球面単レン
ズと対応する液晶表示素子面とは密着させて、両者の間
隔を０ｍｍとした。また、記号ＰＬは投射レンズの全長
で、投射倍率に応じて若干変わるが、各波長色による違
いはない。

【００２９】次に比較例１の投射光学装置を説明する。
３枚の液晶表示素子の対角有効径が同寸法であり、フィ
ールドレンズ７、１７、２７の形状も全て同じであり、
曲率半径も同寸法の平凸球面単レンズとした。そして、
緑、青、赤の３波長それぞれの投射レンズ手段に対し
て、スクリーン画面から、各ＲＧＢ光軸に沿って配置さ
れる。基本配置は構成例１と同様である。比較例１の色
分離合成ダイクロイックミラー、各フィールドレンズ、
液晶表示素子の各色光の光路に沿った光軸方向の間隔を
表１に示す。

【００３０】また、各色光（各中心波長）のガウス像面
位置での幾何光学的収差のうち、横収差（像面上ＤＹ、
ＤＸ）と非点収差（ＡＳ）を、それぞれ図２、図３、図
４に示す。図２、図３、図４において、Ｙは比較例１に
おける液晶表示素子の最大直径サイズ（約２サイズ）の
半径方向で、代表的な収差計算における像点位置を示
し、ＤＹ、ＤＸは、その各点における像面上の横収差を
示す。

【００３１】ここで、本発明で採用した計算手法の原理
について説明する。まず、前提として、光源系から発す
る光線は、ある大きさを有する光源面からレンズの入射
瞳（通常は円形）に多数の光線が入射するものと考え
る。一般的に、この光源は半径Ｙ_O を持つ円形の光源面
と仮定できる。この光源面から多数の光線をばらばらに
入射させても光学特性を把握することが難しい。

【００３２】このため，光軸を中心として対照的な光学
系には光軸上物点０１、最軸外物点０２、中間物点（半
径上の任意点）０３、０４・・・と設定する（後述する
実施例では、０３、０４、０５）。この各物点から光学
系の入射瞳（円形）の各点に入射する光線を想定したと
き、入射瞳の方向を２方向設定する。

【００３３】一方は、垂直方向（子午線断面方向：Tang
ential方向）であり、他方は、これと直交する方向（球
欠断面方向：sagital 方向）である。図２〜図８におけ
る記号のうち、ＤＹは子午線断面方向の光線、つまり近
軸焦点位置での像面上における横収差（光学定義では光
軸方向が縦方向）を示す。

【００３４】ＤＸは球欠断面方向の光線、つまり近軸焦
点位置での像面上における横収差（光学定義では光軸方
向が縦方向）を示す。各収差図のＹは物点に対応する像
面上の理想像高位置で物点に一対一対応する。物点で表
現してもよいが、通常は対応像点位置で表現する。各横
収差図の横軸は入射瞳径であり、縦軸が収差量（理想像
高位置からのずれ量）で通常の単位はｍｍである。

【００３５】図８の紙面右側の図は、ＡＳ（Astigimati
sm：非点収差）の図で、Tangenntial （タンジェンシャ
ル）、sagital （サジタル）方向の各物点の主光線（入
射瞳中心を通る光線）の結像位置を結んだ曲線図であ
る。縦軸は近軸像平面で、横軸はそれとのずれ量（収差
量）を示す。

【００３６】記号（Green 、Red 、Blue) は、色光、す
なわち通過する光の波長域（Ｒ、Ｇ、Ｂ）別に各収差を
計算し別々に収差図として示した。以下、このようにし
て、代表的な光線を選定して光線追跡と性能計算を行っ
た。

【００３７】

【表１】

【００３８】ここで、実際の投射像の画像は、液晶表示
素子の対角有効径サイズの大きさの画像がスクリーン上
に拡大投影される。この場合、スクリーン上の投射サイ
ズ、倍率の違いによって収差量が大きく変わってしま
う。幾何光学的に成立する光線可逆の原理により、液晶
表示素子とスクリーン面の物像関係を逆にし、液晶表示
素子の大きさを像面の大きさと仮定し、その一定の大き
さに対する収差量を考えるほうが光学設計を行う際は一
般的である。この比較例１でもこの手法を用いた。

【００３９】しかし、実際の各波長色に対する、投射ス
クリーン画面上での画素ずれの量がやはり問題である。
そのため、表１の場合における各波長色の倍率関係と液
晶表示素子面をガウス像面位置で同一寸法としたときの
フィールドレンズの形状とスクリーン画面サイズの計算
値を表２に示す。

【００４０】

【表２】

【００４１】この比較例１では、表１、表２、図２、図
３、図４からわかるように、最大画素ずれ量は＋／−
１．６画素になっている。実際には、Ｇ、Ｂ、Ｒの表示
素子の位置等を光軸に対して前後左右に調整して、各波
長の最適像面位置をその焦点深度内でずらして軸上、軸
外両方向の倍率を微妙に調整することにより、スクリー
ン上での各色仮が合成された投射画像を何とか２画素程
度のずれ量以内に押し込めることが可能である。

【００４２】しかし、このような方式では、実際の投射
光学装置の製造工程を非常に煩雑にし、十分な画素調整
を得ることも困難となる。当然、生産性が極めて悪く、
製造コスト増加の大きな要因となった。このように、比
較例１では十分な画素調整を得ることが困難である。以
下、本発明について、図９の構成例２を参照して説明を
行う。

【００４３】図９において、符号１０はある投射倍率に
おける投射スクリーン画面、２は光学系の中心光軸、３
は投射レンズ、４は投射レンズの開口絞り（第２開
口）、５、６は中心光軸に対して垂直な平面から、３０
°±１０°、つまり、＋２０°〜＋４０°、もしくは、
−２０°〜−４０°の傾角で互いに反対方向に傾けて配
置された２枚の色分離合成ダイクロイックミラーであ
る。

【００４４】符号７、１７、２７はフィールドレンズ
で、各波長色に対応して配置される。液晶表示素子は、
符号８が緑波長域用、１８が青波長域用、２８が赤波長
域用である。符号９、１９、２９はそれぞれの液晶表示
素子の反射層である。また、１４は投射光学装置全体の
筐体である。

【００４５】上述したように、ダイクロイックミラー等
のような色分離合成用素子を用いて、光源光を複数の色
光に分離し、複数の反射型液晶表示素子を各色光で照明
し、その反射光を合成して同一のスクリーン画面上に投
射像を形成する投射光学装置において、スクリーン上の
各波長色の画素を合わせるためには、光軸方向の近軸像
（ガウス像）倍率と最良像面位置、像面方向では各波長
の横収差（倍率色収差）のバランスが重要である。スク
リーンサイズも同じ大きさにしてあるために、基本的に
は像面上の横倍率は等しくなるように構成した。

【００４６】本発明では、ガウス像面位置での倍率色収
差を小さくする手法に加えて、以下の新たな機構を採用
した。まず、一つの波長色の光軸方向の最良像面位置を
基準として固定し、それ以外の各波長色に対応するフィ
ールドレンズのそれぞれの光軸方向の位置だけでなく、
中心厚または曲率半径のうちの２つの要素をそれぞれ独
立に変更して最適化を行う。少なくとも２つの要素を併
用する。この新機構により、各波長の光軸方向の最良像
面位置での縦（軸上）倍率と横倍率とを基準波長のそれ
と一致させることが可能となった。

【００４７】以下の説明では、光学配置に関して、平凸
球面レンズの光軸、反射型液晶表示素子の対角線中心、
投射レンズ系の光軸をすべて一致させた理想的な同軸光
学系である場合を想定した。実際の投射光学装置では、
第１開口と、その平凸球面レンズによる実像（以下、第
２開口部実像と呼ぶ）は互いに重ならないように配置す
る。かつ、実際の照明光学部品と投射レンズ系の鏡筒等
の光学部品が機械的干渉を生じないように、液晶表示素
子の対角線中心を通る垂線を対称軸として、前記の光学
部品を垂直または他の方向にずらして、つまり、偏心さ
せて配置する必要がある。

【００４８】この場合、さらに偏心入出射による非点収
差が加わり、光学性能はさらに変化する可能性もある
が、偏心による収差は各波長にほぼ等しく影響するため
本質的なものではない。本発明をわかりやすく説明する
ため、理想的な完全同軸光学系のモデルとした。

【００４９】また、本発明で用いるレンズ手段、すなわ
ち、フィールドレンズは各表示素子に入射される照明光
束を平行光化し、かつ、表示素子の反射面によって反射
され、液晶表示素子から出射された平行光束を、投射レ
ンズ系に入射させるコリメータレンズ機能を合わせて有
する。また、中心厚はレンズの要素の中でも、レンズの
屈折力に対する影響は、曲率半径よりもかなり小さいた
め、わずかな中心厚の変化は収差に対する影響が少な
い。

【００５０】一方、あらかじめ倍率色収差が補正された
投射レンズ系においては、その光軸方向における軸上倍
率収差はあまり大きくはない。このため、軸上倍率を基
準波長に一致させるだけの最適化のための変化量は当然
小さい範囲となる。

【００５１】また、前述したようにレンズの屈折力に対
する影響は大きいが、中心厚をあまり変更したくない場
合、曲率半径をわずかに変えることで収差補正効果を合
わせて達成できる（後述する実施例２）。さらに両方を
組み合わせることにより、さらに良好な合成画像を得る
ことができる。

【００５２】本発明の構成例Ａでは、比較例１に対し、
ＧＲの波長を基準として、他の２波長に対するフィール
ドレンズの各光路上の位置と中心厚を変えることにより
軸上倍率を一致させて投射型光学装置を構成する。ま
た、本発明の構成例Ｂでは、比較例１に対し、ＧＲの波
長を基準として、他の２波長の軸上倍率を一致させて投
射光学装置を構成する。

【００５３】そして、本発明の投射光学装置は、特に大
きさに制限はないが、比較的小型軽量の投射光学装置の
場合に優れた総合特性が得られる。対角サイズで１〜３
サイズの小型の液晶表示素子を使用することが特に好ま
しい。

【００５４】また、フィールドレンズの形状仕様は、そ
の投射光学装置が搭載する液晶表示素子のサイズに合わ
せて決める方が無駄が少ない。すなわち、フィールドレ
ンズの外径もこの液晶表示素子の大きさよりもやや大き
めの外径であればよく、また。円形である必要はなくて
相似の矩形でも差し支えない。

【００５５】さらに、フィールドレンズの形状は平凸単
レンズ形状にすることが好ましい。一方の面を平面にす
ることにより、研磨や成形型のコストを大きく低減でき
る。また、レンズの平面部と液晶表示素子の平面とを屈
折率調整液で貼り合わせることにより、同時に２つの面
のＡＲコートを不要にできる。さらには液晶表示素子と
一体化することで位置調整機構を簡略化できるようにな
る。

【００５６】しかし、フィールドレンズは平凸単レンズ
に限られることはない。両凸、凸メニスカス形状にする
ことにより、フィールドレンズと液晶表示面の平面同士
の貼合わせ時の泡の発生、異物の混入、温度変化時の剥
離、クラック発生等の対策を不要にでき、製造上での大
きな長所を得る。また、各部品を空間的に独立に配置す
る自由度を持たせようとしたときに、フィールドレンズ
の平面と液晶表示素子平面との間で発生する平面同士の
干渉を防ぐ利点もある。そのため、片面を凸または凹面
とした、両凸単レンズ、凸メニスカス単レンズ、あるい
は非球面レンズとして構成でき、このような場合でも本
発明の効果を発現できる。

【００５７】しかし、後述する実施例１、２（平凸球面
形状の例）で示すように、フィールドレンズの両面を球
面とすること、または、少なくとも１面を非球面にする
ことは、さらに良好な光学特性を発揮するので好まし
い。

【００５８】以上の説明では、フィールドレンズの光軸
が液晶表示素子の対角中心を通る法線と一致した配置構
成を想定した。しかし、フィールドレンズの光軸が液晶
表示素子の対角中心を通る法線と一致しない場合、つま
り偏心性のフィールドレンズを用いた場合でも本発明は
適用できる。

【００５９】なぜなら、フィールドレンズの光軸を中心
にした開口径の中に液晶表示素子の対角有効面を含むよ
うに配置し、フィールドレンズの光軸を中心軸として、
前述したような、中心厚またはわずかな曲率半径の倍率
最適化調整を行うことにより全く同様な効果が得られる
からである。ただし、この場合、フィールドレンズの外
径や中心厚が大きくなるため、収差補正はやや難しくな
る傾向にある。

【００６０】しかし、このようにフィールドレンズの光
軸を偏心させることにより、フィールドレンズ面の反射
防止コート性能に依存することなく、高輝度の照明光が
フィールドレンズ面で反射されて投射光学系に入射して
不快な輝点を形成してしまうことを防止できる利点があ
る。また、光束が通らない部分のレンズ部は削除した形
状とする方が好ましい。

【００６１】一方、フィールドレンズの光学材料として
は、従来のフィールドレンズを使用できる。材料として
は、従来の一般的な透明な光学ガラス、プラスチック光
学材料であれば何れのものでも使用可能である。以下
に、光学系の仕様表、光路図、光学性能図を参照しなが
ら実施例の説明を行う。

【００６２】

【実施例】（実施例１）実施例１は、上述した表１の比
較例１に対し、フィールドレンズ７、１７、２７の材料
と曲率半径が同寸法の平凸球面単レンズを用いる。この
際、ＧＲ、ＢＬ、ＲＥ３波長それぞれの投射光学系に対
して、ＧＲの波長を基準としたとき、他の波長の光路に
沿った光軸方向の間隔と平凸フィールドレンズの中心厚
のみを変えることにより、他の２波長の軸上倍率を一致
させて構成した。このときの光学配置とフィールドレン
ズのデータを表３、表４に示す。また、図５、図６にＢ
ＬとＲＥの波長の収差図を示す。

【００６３】ここで、表１と表３とを比較すると、ＢＬ
とＲＥの波長のフィールドレンズの中心厚と位置が少し
変わっているだけである。一方、表４から、このときの
投射倍率関係は全く同じであり、３波長の光軸方向のず
れはないことがわかる。さらに、３波長色の液晶表示素
子の大きさは同じであり、各波長の像面上の倍率色収差
においても、図３と図５、図４と図６をそれぞれ比較し
てみると、最良像面位置は若干異なるが、各画角に対応
する横収差はそれぞれ同じ主光線位置を中心に小さい収
差量の範囲に収まっている。

【００６４】

【表３】

【００６５】

【表４】

【００６６】（実施例２）実施例２は、表１の比較例１
に対し、フィールドレンズ７、１７、２７の材料と曲率
半径が同寸法の平凸球面単レンズを用いる。この際、Ｇ
Ｒ、ＢＬ、ＲＥ３波長それぞれの投射光学系に対して、
ＧＲの波長を基準としたとき、他の波長の光路に沿った
光軸方向の間隔と平凸フィールドレンズの曲率半径のみ
を変えることにより、他の２波長の軸上倍率を一致させ
て構成した。このときの光学配置とフィールドレンズの
データを表５と表６に示す。また、図７、図８にＢＬと
ＲＥの波長の収差図を示す。

【００６７】表１と表５を比較すると、ＢＬとＲＥの波
長のフィールドレンズの曲率半径と位置が少し違うだけ
である。一方、表６から、このときの投射倍率関係は全
く同じであり、３波長の光軸方向のずれはないことがわ
かる。さらに、３波長色の液晶表示素子の大きさは同じ
であり、各波長の像面上の倍率色収差においても、図３
と図７、図４と図８をそれぞれ比較してみると、最良像
面位置は若干異なるが、各画角に対応する横収差はそれ
ぞれ同じ主光線位置を中心に小さい収差量の範囲に収ま
っている。

【００６８】

【表５】

【００６９】

【表６】

【００７０】ここで、注意しなければならないのは、上
記の実施例は設計上での画素ずれについて示しただけで
ある。ガウス像面を基準にした、設計上での画素ずれ量
がほぼゼロになる例を示したのである。実際には、これ
に各波長の光学収差による最適像面位置ずれや製造上の
誤差や使用条件による画素ずれの発生が考えられる。

【００７１】しかし、比較例１で示したような、±１．
６画素ずれのものがほとんどゼロにできることは、その
後、投射光学装置の製造／調整工程における画素ずれの
量がより小さくなり、調整も簡素化できることになる。
実際に、本発明による投射光学装置においては、前述の
誤差を考慮しても、基準波長の画像に対する各色光の画
素ズレを±１／３画素以内に調整できる。そして、画素
ずれがほとんど認められない良好なフルカラーのコント
ラスト比もよい、投射画像を得ることが可能となった。

【００７２】図１０に模式的に示す画素のずれ状態は、
およそ縦方向で０．１画素、横方向でも０．１画素以内
である。本発明では、このような投射像を容易に得るこ
とができる。さらに、画素ずれを０．０５画素以内にす
るよう機器の組み立て・調整を行うことが容易にでき
る。

【００７３】

【発明の効果】本発明によれば、スクリーン画像の画素
ずれのほとんどない、高性能な投影画面を得られるよう
な小型、高性能な反射型液晶表示装置が実現できる。各
表示素子の投射画像の光軸方向および像面方向のサイズ
が、各レンズ手段と色分離合成ダイクロイックミラー、
および投射レンズ系の色収差によってずれることなく、
各波長色の合成画像が同一スクリーン上に同一サイズで
合成された画像となる。また、製造・機構調整が容易で
ある。

【００７４】すなわち、色分離合成方式を採用し、複数
枚の液晶表示素子の画像を合成するカラー投射光学装置
において、主波長のスクリーン投影画面サイズに対し
て、他波長のフィールドレンズの曲率半径、中心厚と光
軸方向の位置、のいずれか２つ以上を組み合わせて補正
を行うことにより、スクリーン上の色光、つまり各波長
色の画像の画素ずれを解消することが可能になった。

【００７５】また、主波長のスクリーン投影画面の大き
さに対して他波長のフィールドレンズの曲率半径と光軸
方向の位置を若干変えることにより、スクリーン上の各
波長色の画像をほとんど画素ずれのない、良好な合成画
像を得ることができた。

【００７６】実際の光学系の収差や製造誤差を考慮して
も、基準色光に対する実際の投射画像の画素ずれが全画
面域において、１／３画素以内に抑制され、好ましくは
０．１画素以内にでき、良好な投射像を容易に達成でき
るようになった。従来技術では困難であった、小型・高
密度表示の投射型光学装置であっても、画素ずれ調整を
容易に行うことができるようになった。

【００７７】本発明では、基本的に反射型液晶表示素子
の大きさによらず、本発明の補正機構を用いることで、
大きな効果をそうする。さらに、表示手段の最大有効サ
イズが１〜３サイズの場合に特に優れた効果を達成でき
た。また、本発明は上記の実施例、構成例に限られず、
他の構成要素、例えば、光束均一化手段、光軸の偏心性
機構などと組み合わせることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成例１の斜視図。

【図２】比較例１（緑の色光）の収差図。

【図３】比較例１（青の色光）の収差図。

【図４】比較例１（緑の色光）の収差図。

【図５】実施例１（青の色光）の収差図。

【図６】実施例１（赤の色光）の収差図。

【図７】実施例２（青の色光）の収差図。

【図８】実施例２（赤の色光）の収差図。

【図９】本発明の構成例２の平面図。

【図１０】本発明における投射像のずれを示す平面図。

【符号の説明】

１：光源 ２：中心光軸（液晶表示素子の対角線中心の法線） ３：投射手段 ５、６：色分離合成ダイクロイックミラー ７、１７、２７：フィールドレンズ ８、１８、２８：液晶表示素子 ９、１９、２９：反射層 １０：スクリーン １１：第２開口 １４：光学系全体の筐体 α：第１の色分離合成ダイクロイックミラーと中心光軸
の交差角 β：第２の色分離合成ダイクロイックミラーと中心光軸
の交差角 ＷＧ：フィールドレンズ頂点と第２開口中心点までの水
平方向距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｇ０２Ｂ 13/24 Ｇ０２Ｂ 13/24 Ｆターム(参考） 2H087 KA06 PA01 PA17 PB01 QA12 QA13 QA14 QA32 QA33 QA34 RA05 RA12 RA13 RA48 2H088 EA14 EA16 EA18 EA19 FA16 FA18 FA30 GA10 HA13 HA28 JA04 MA04 MA16 2H091 FA26Z FB07 FC15 FC24 FC29 FC30 FD01 FD13 FD23 JA02 LA03 LA09 LA12 LA15 MA07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、色分離手段と、色合成手段と、レ
   ンズ手段と、反射層が備えられた複数の表示手段と、投
   射手段とが設けられ、各表示手段の近傍にレンズ手段が
   配置され、光源から発した光源光は色分離手段によって
   複数の色光に色分離され、複数の色光は対応したレンズ
   手段を通過せしめられ対応した表示手段に入射され、反
   射層によって反射され、表示手段から出射され、前記レ
   ンズ手段を通過せしめられ、色合成手段により色合成さ
   れてカラー表示光とされ、１つの色光の投射画像を基準
   画像とし、この基準画像に対する他の色光による投射画
   像のずれ量が、全画面域で１／３画素以内になるよう
   に、レンズ手段の光軸方向の位置、中心厚み、曲率半径
   の３要素のうちの、いずれか２つ以上の要素を含む補正
   が行われた投射光学装置。
2. 【請求項２】色分離手段および色合成手段の機能を備え
   る部材として第１の色分離合成ダイクロイックミラーと
   第２の色分離合成ダイクロイックミラーがＶ字状に配置
   され、投射手段の投射光軸とそれぞれ交差する角度が＋
   ２０°〜＋４０°および−２０°〜−４０°に設定さ
   れ、光源光は３つの色光に分離され、３枚の表示手段が
   配置され、レンズ手段はそれぞれの表示手段に対し１枚
   ずつ配置された請求項１記載の投射光学装置。
3. 【請求項３】レンズ手段は両凸球面、平凸球面もしくは
   凸メニスカス球面形状、または両凸非球面、平凸非球面
   もしくは凸メニスカス非球面形状の単レンズが用いら
   れ、全てのレンズ手段の全てのレンズ面のうち、１つの
   色光に対応したレンズ手段の１つのレンズ面の曲率半径
   が、他の色光に対応したレンズ面の曲率半径と異なるよ
   うに設けられた請求項１または２記載の投射光学装置。
4. 【請求項４】表示手段の形状がほぼ矩形であり、その対
   角有効径が１〜３サイズであり、各レンズ手段の形状が
   その表示手段の対角有効径に入出射する最大光束よりも
   大きく設けられた請求項１、２または３記載の投射光学
   装置。
5. 【請求項５】ずれ量が０．１画素以内とされた請求項
   １、２、３または４記載の投射光学装置。