JP2000121995A

JP2000121995A - 画像投影装置

Info

Publication number: JP2000121995A
Application number: JP10293769A
Authority: JP
Inventors: Kenji Konno; 賢治金野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】プリズムを用いずに色合成を行い、低コストで
しかも良好な結像性能を有する画像投影装置を提供す
る。【解決手段】表示パネル１２，１３の各画像情報を合成
する色合成ミラー２１を、第１群２６と第２群２７，２
８及び第３群２９，３０より成る投影光学系と表示パネ
ル１２，１３との間に備え、合成した前記各画像情報と
表示パネル１４の画像情報とを合成する色合成ミラー２
２を、前記投影光学系の内部に備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶プロジェクタ
ー等の画像投影装置に関するものであり、更に詳しく
は、いわゆる多板方式の投影光学系において、薄膜を用
いて色合成を行う構成の画像投影装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液晶プロジェクターにおいて
は、表示パネルとして使用される液晶表示素子が透過型
であるか反射型であるかを問わず、いわゆる多板方式が
多く用いられている。これは、特にカラー表示を行う事
を目的とするが、そのときに色合成を行うために、従来
よりプリズムが主に用いられている。

【０００３】例えば、特開昭６３−１１６１２３号公報
に記載されている如く、光源から出た光を、２枚のダイ
クロイックミラーを用いて３つの色成分に分解し、それ
ぞれをして液晶ライトバルブを通過させ、更に色合成の
ためのクロスダイクロイックプリズムを通過させた後
に、投影光学系に入射させている。これは、液晶表示素
子が透過型である場合の例である。

【０００４】また、特開平３−２４９６３９号公報に記
載されている如く、光源から出た光を偏光ビームスプリ
ッタに入射させた後、偏光ビームスプリッタで反射さ
せ、クロスダイクロイックプリズムに入射させて各色に
分離し、それぞれの表示パネルで変調して反射させた
後、再びクロスダイクロイックプリズム及び偏光ビーム
スプリッタを通過させて、投影光学系に入射させる構成
となっている。これは、表示パネルとしての液晶表示素
子が反射型である場合の例である。

【０００５】また、色合成を行うために、プリズムを用
いないものもあり、例えば、特開平３−７８７３８号公
報に記載されている如く、光源から出た光を、２枚のダ
イクロイックミラーを用いて３つの色成分に分解し、そ
れぞれをして液晶ライトバルブを通過させ、更に色合成
のための２枚のダイクロイックミラーにおいて反射或い
は透過させた後に、投影光学系に入射させている。

【０００６】さらに、特開平８−３３４７２７号公報に
記載されている如く、３色合成用ダイクロイックミラー
への入射角を４５度以下にし、更にそれぞれダイクロイ
ックミラーへ入射する光軸が、互いに略直角を成す構成
を採っている。また、ＵＳＰ５２３１４３１号公報に記
載されている如く、表示パネルと投影レンズとの間に、
非点隔差を補正する部材を配置した構成を採っている。

【０００７】また、特開平８−４３７２８号公報に記載
されている如く、光学系の中に偏光ビームスプリッタを
配置して、２つの光源からの光を合成してスクリーンに
投影するという構成を採っている。或いは、特開平７−
２７９７１号公報に記載されている如く、色分解手段で
分解し、透過型パネルを透過した光を、投影光学系の中
の色合成手段で合成してスクリーンに投影するという構
成を採っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開昭６３−１１６１２３号公報及び特開平３−２４９６
３９号公報に記載されているような、色合成のためにプ
リズム（ここではクロスダイクロイックプリズム）を用
いる構成では、一般に色合成プリズムの体積が大きいた
め、大きなガラスブロックを必要とし、またその貼り合
わせに非常な高精度が要求される事により、コスト高と
なってしまう。

【０００９】また、上記特開平３−７８７３８号公報に
記載されているような、プリズムを用いずにミラー（主
としてダイクロイックミラー）で色合成を行う構成で
は、ミラーで反射されずに透過する色の光が、傾いたガ
ラス平板を通過するときに発生する非点隔差の影響で、
投影像が劣化してしまう。さらに、その問題を解決する
ために、上記特開平８−３３４７２７号公報に記載され
ているような、ねじれの位置に２つの表示パネルを配置
する構成をとると、非点隔差を補正する事はできるが、
表示パネルの配置が複雑となり、保持，調整が困難にな
る上に、装置が上下方向に大型化してしまう。

【００１０】また、上記ＵＳＰ５２３１４３１号公報に
記載されているような、表示パネルと投影レンズとの間
に部材を配置する構成では、その分だけレンズバックを
必要とするので、良好な光学性能を維持するのが困難と
なる。また、上記全ての例においては、画像情報の合成
を、レンズバックに配置したダイクロイックミラーで行
っているが、そのダイクロイックミラーを配置するため
に、レンズバックが余分に必要となるので、投影光学系
の負担が大きく、コスト高となってしまう。

【００１１】また、上記特開平８−４３７２８号公報或
いは特開平７−２７９７１号公報に記載されているよう
な構成では、投影光学系に配置されている合成手段に入
射する角度が、軸上の主光線と軸外の主光線とで大きく
異なっている。一般に、ダイクロイック膜やＰＢＳ（偏
光ビームスプリッタ）膜に、設計角度から大きく離れた
角度で入射すると、膜の特性が変化し、透過率又は反射
率が設計値から大きく異なってしまうために、スクリー
ン上での色ムラや照度ムラといった問題が発生する。

【００１２】本発明は、これらの問題点に鑑み、プリズ
ムを用いずに色合成を行い、低コストでしかも良好な結
像性能を有する画像投影装置を提供する事を目的とす
る。

【００１３】

【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、少なくとも２枚の画像表示素子と、そ
の画像表示素子の画像情報を投影する投影光学系とを有
し、前記画像表示素子の画像情報を合成する画像情報合
成手段を、前記投影光学系の内部に備え、以下の条件を
満足する構成とする。 θ＜１５但し、 θ：画像情報合成手段に入射する最大画角の主光線と軸
上主光線の空気換算での入射角度の差である。

【００１４】さらには、３枚の画像表示素子と、その画
像表示素子の画像情報を投影する投影光学系とを有し、
第１及び第２の前記画像表示素子の各画像情報を合成す
る第１の画像情報合成手段を、前記投影光学系とその第
１及び第２の画像表示素子との間に備え、合成した前記
各画像情報と第３の前記画像表示素子の画像情報とを合
成する第２の画像情報合成手段を、前記投影光学系の内
部に備えた構成とする。

【００１５】また、前記画像情報合成手段はダイクロイ
ックミラーである構成とする。ここで言うダイクロイッ
クミラーとは、２枚の貼り合わせ又は僅かに空気間隔が
空いたガラス平板の間の面に、ダイクロイックコート面
を有するものである。

【００１６】また、前記ダイクロイックミラーを前記画
像情報が通過する際に発生する非点隔差を補正する補正
部材を、前記投影光学系の内部に備えた構成とする。

【００１７】

【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。本発明の第１の実施
形態の画像投影装置は、表示パネルとして反射型の液晶
表示素子を用い、いわゆる２階建ての構造となってお
り、１階に投影光学系、２階に照明光学系が配置されて
いる。そして、表示パネル上方にあるミラーで照明光学
系からの光を折り返し、投影光学系へ導く構成となって
いる。

【００１８】図１は、第１の実施形態の照明光学系の構
成を模式的に示すＸ−Ｚ面における断面図である。同図
の紙面に垂直で手前側の方向をＹ軸方向とする。同図に
おいて、１は光源、２は光源１を取り囲むように配設さ
れ、光源１からの光を反射するリフレクター、３は光源
１の上方に配設され、光源１からの光の内、紫外線及び
赤外線を遮断する平板状のＵＶＩＲカットフィルター、
４は更にその上方に配設され、表面に小さいレンズが多
数配列された板状の第１レンズアレイ、５は更にその上
方に配設され、光源１からの光を特定の偏光光に変換す
る三角形状の偏光分離ブロック、６はその右側に配設さ
れ、表面に小さいレンズが多数配列された板状の第２レ
ンズアレイである。

【００１９】さらに、その右方には、光源１からの光を
各色成分に分離する色分解ミラー７，８が順次配設され
ている。更にそれらの先の分離された光路上には、それ
ぞれミラー９，１０，１１が配置され、それぞれ表示パ
ネル１２，１３，１４へと各色成分を導く働きをしてい
る。詳しくは後述する。

【００２０】ここで、リフレクター２は、反射面が回転
楕円面となっており、光源１をこの回転楕円面の第１焦
点の位置に配置してある。この場合、光源１を出てリフ
レクター２で反射される光は、図示しない第２焦点に収
差なく結像する。こうする事により、本実施形態のよう
に光源１の開口が第２レンズアレイの開口より大きい場
合でも、集光作用により光が洩れずに済む。また、この
集光作用により、リフレクター２を出た光が絞られるの
で、光源１から遠い光学素子ほど小さくする事ができ、
材料費を削減してコストダウンを図る事ができる。

【００２１】また、第１レンズアレイ４は、上記表示パ
ネルと相似形状をした四角形のレンズをアレイ状に並べ
たものである。この第１レンズアレイ４は、光源１から
の光を複数の面光源となるように分割し、後で重ね合わ
せる事により、表示パネルへの照明のムラを小さくする
働きがある。さらに、第１レンズアレイ４は、リフレク
ター２から出た光が第２レンズアレイ６で結像するよう
に、その焦点距離を設定している。

【００２２】また、偏光分離ブロック５は、同図に示す
ように、偏光分離ミラー面５ａとミラー面５ｂとを有
し、これら２つの面は所定の間隔を隔てて配置されてい
る。ここで、無偏光状態の光が偏光分離ブロック５に入
射すると、まず、偏光分離ミラー面５ａでＳ偏光のみが
反射され、Ｐ偏光は透過する。透過したＰ偏光はミラー
面５ｂで反射され、再び偏光分離ミラー面５ａを透過し
て射出する。従って、偏光分離ブロック５に入射した無
偏光光は、Ｓ偏光とＰ偏光が位置ずれを起こした状態で
射出される。そのため、第１レンズアレイ４で作られる
光源像は、Ｓ偏光とＰ偏光とで異なる位置に結像する。

【００２３】その第１レンズアレイ４から出た光が結像
する位置に配置された第２レンズアレイ６上には、Ｐ偏
光の像とＳ偏光の像とができる。アレイ状のレンズは、
各々の像に対応する数だけ必要となるので、第２レンズ
アレイ６のレンズ数は、第１レンズアレイ４のレンズ数
の２倍となっている。第２レンズアレイ６は、第１レン
ズアレイ４で分割した光源像を、上記表示パネルで重ね
合わせるように、その焦点距離，傾きを設定している。

【００２４】また、第２レンズアレイ４の位置が、後述
する投影光学系の絞りと１次共役の位置関係となるよう
に、表示パネル及び投影光学系を配置している。こうす
る事により、光源１からの光を無駄なく表示パネルに照
明する事ができる。また、照明のためのリレーレンズ等
の光学系を必要とせず、少ない部品点数で照明光学系を
構成する事ができるので、コスト上も有利である。

【００２５】同図において、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用の光は、ＵＶＩ
Ｒカットフィルター３を透過してほぼ可視光のみとな
り、続いて第１レンズアレイ４を透過し、更に偏光分離
ブロック５に入射する。ここでは入射する光の内、Ｓ偏
光の成分は偏光分離ミラー面５ａで反射され、Ｐ偏光成
分はミラー面５ｂで反射されて、第２レンズアレイ６へ
と射出する。Ｓ偏光光束とＰ偏光光束が第２レンズアレ
イ６上に結像する位置は異なるので、Ｐ偏光のみを図示
しない１／２波長板でＳ偏光とする事で、全てＳ偏光と
する。

【００２６】第２レンズアレイ６を透過した光は、Ｓ偏
光のみの光束として色分解ミラー７に入射し、ここで青
色の光束Ｂのみ反射され、その他は透過する。色分解ミ
ラー７を透過した光は、続いて色分解ミラー８に入射
し、ここで赤色の光束Ｒのみ反射され、残りの緑色の光
束Ｇは透過する。分離された青色，赤色，緑色の各光束
Ｂ，Ｒ，Ｇは、それぞれミラー１１，１０，９に入射す
る。分離する色の順番を、以上のようにした理由は後述
する。

【００２７】図２は、分離された光束をそれぞれ折り返
すミラー付近を、側面より見た図である。同図に示すよ
うに、分離された光束Ｇ，Ｒ，Ｂは、それぞれミラー
９，１０，１１で反射されて折り返され、更にそれぞれ
偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７に入射する。こ
の時点で、各光束は上述のようにＳ偏光に揃えられてい
るので、偏光ビームスプリッタに入射した際に無駄なく
反射される。偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７に
それぞれ反射された光束Ｇ，Ｒ，Ｂは、それぞれコンデ
ンサーレンズ１８，１９，２０を透過して、それぞれ表
示パネル１２，１３，１４に到達する。以上の構成によ
り、２階の照明光学系からの光が１階の投影光学系に導
かれる。

【００２８】各コンデンサーレンズ１８，１９，２０
は、それぞれ表示パネル１２，１３，１４表面上の全て
の位置が、照明光学系からの光によりほぼ垂直に照明さ
れるように、その焦点距離を設定している。但し、全く
垂直に照明されるようにしてしまうと、後述する投影光
学系の絞りの第１共役像が、それぞれ表示パネルに近づ
きすぎて、像の大きさも小さくなるので、上記色分解ミ
ラーを配置するのが困難になったり、第２レンズアレイ
６が小さくなりすぎたりするので好ましくない。故に、
各コンデンサーレンズは、上記各第１共役像を各表示パ
ネルから十分に離して、像の大きさも十分大きくなるよ
うに焦点距離を設定している。また、各表示パネルは、
反射型液晶表示素子であり、ここで各画素毎に変調され
た光がその表面より射出される。

【００２９】図３は、第１の実施形態の投影光学系の構
成を模式的に示すＸ−Ｚ面における断面図である。同図
の紙面に垂直で手前側の方向をＹ軸方向とする。同図に
おいて、１２〜１４は上記表示パネル、１５〜１７は上
記偏光ビームスプリッタ、１８〜２０は上記コンデンサ
ーレンズである。また、２１は表示パネル１２，１３か
らの変調後のそれぞれの光束Ｇ，Ｒを合成する色合成ミ
ラー、２２は表示パネル１４からの変調後の光束Ｂと前
記光束Ｇ，Ｒが合成された光束とを合成する色合成ミラ
ーである。また、２３は、光束Ｂの光路を光束Ｇ，Ｒの
光路と光学的に同じにするための、平板ガラスより成る
ダミーガラスである。

【００３０】同図の左側には、図示しない投影スクリー
ンが設けられており、本実施形態の投影光学系は、その
投影スクリーンから見て、負の第１群２６、正の各第２
群２７，２８、各絞り２４，２５、正の各第３群２９，
３０の各レンズ群より成る。そして、負の第１群２６と
正の第２群２７，２８との間には、Ｙ軸周りに回転して
傾斜した上記色合成ミラー２２が配設されている。ま
た、第３群２９のレンズバックには、Ｙ軸周りに回転し
て傾斜した上記色合成ミラー２１、及びＸ軸周り，Ｚ軸
周りにそれぞれ回転して傾斜した上記偏光ビームスプリ
ッタ１５，１６が配設されている。また、第３群３０の
レンズバックには、Ｙ軸周りに回転して傾斜した上記ダ
ミーガラス２３及びＺ軸周りに回転して傾斜した上記偏
光ビームスプリッタ１７が配設されている。

【００３１】同図において、上述したように各表示パネ
ル１２，１３，１４にＳ偏光で入射した各光束Ｇ，Ｒ，
Ｂは、画素毎に選択的にＰ偏光に変調され、それぞれコ
ンデンサーレンズ１８，１９，２０を再び透過した後、
それぞれ偏光ビームスプリッタ１５，１６，１７に再び
入射する。そして、ここではＰ偏光の光束のみが透過す
る。さらに、各偏光ビームスプリッタ１５，１６を透過
した各光束Ｇ，Ｒは、色合成ミラー２１に入射し、ここ
で合成されて投影光学系の第３群２９に入射する。一
方、偏光ビームスプリッタ１７を透過した光束Ｂは、ダ
ミーガラス２３に入射し、ここで合成されて投影光学系
の第３群３０に入射する。

【００３２】その後、各光束Ｇ，Ｒが合成された光束及
び光束Ｂは、それぞれ第３群２９，３０を透過し、更に
それぞれ上記絞り２４，２５及び第２群２７，２８を透
過して、投影光学系内の色合成ミラー２２に入射し、こ
こで合成されて各光束Ｇ，Ｒ，Ｂが合成された光束とな
り、第１群２６を透過して図示しない投影スクリーンに
投影される。この投影スクリーンは、上記各表示パネル
の画像が拡大されて結像する位置に配置されている。

【００３３】上述した投影光学系の色合成ミラー、及び
照明光学系の色分解ミラーとしては、一般にダイクロイ
ックミラーが用いられており、これは図１２に模式的に
示すように、２枚の平板ガラス４１，４２の貼り合わせ
による接合部４３を設けた構成から成る。接合部４３
は、僅かな空気間隔としても良い。ここではその２枚の
平板ガラスの厚さは等しく、互いに向かい合った面のい
ずれかにダイクロイックコートが施されている。

【００３４】例えば同図においては、平板ガラス４１の
面４１ａをダイクロイックコート面としている。また、
平板ガラス４２の面４２ａは、上記貼り合わせの場合は
コーティング不用であるが、その接合部４３の代わりに
僅かな空気間隔とした場合は、反射防止コートを施され
る。さらに、平板ガラス４１，４２のそれぞれ外側の面
４１ｂ，４２ｂは、反射防止コート面となっている。

【００３５】このようなダイクロイックミラーにおいて
は、透過する光線も反射される光線も、共に２枚分のガ
ラス板を透過する事になるので、これらは光学的には全
く等価となる。また、上記僅かな空気間隔とは、具体的
には１ｍｍ以下を言い、それ以上広がるとダイクロイッ
クミラーの保持部材が大きくなるので好ましくない。

【００３６】ところで、投影光学系のレンズバック部分
に上記色合成ミラー等の画像情報合成手段を設けると、
その分だけレンズバックが必要となり、その十分なレン
ズバックを確保するために、投影光学系の負担が大きく
なってしまう。つまり、十分なレンズバックを有し、良
好な光学性能を満足するためには、投影光学系に非球面
やレンズの追加を行う必要があり、コスト高になったり
全体を大型化させたりするので好ましくない。一方、投
影光学系によりカラー表示を行うためには、３つの表示
パネルを有している事が好ましく、３つの表示パネルに
照明される波長域をそれぞれ青，緑，赤とし、各表示パ
ネルの階調を変化させる事で、合成される表示はほぼ全
ての色を再現する事ができる。

【００３７】そこで、本実施形態においては、上述の図
３で示したように、各表示パネル１２，１３からの光束
Ｇ，Ｒは、投影光学系と各表示パネル１２，１３との間
即ちレンズバック部分に配置された色合成ミラー２１で
合成され、各光束Ｇ，Ｒが合成された光束及び光束Ｂ
は、投影光学系の内部に配置された色合成ミラー２２で
合成される構成となっている。

【００３８】こうする事により、投影光学系に必要とさ
れる色合成のためのレンズバックは、１つの画像情報合
成手段の分だけ取れば良く、残り一つの画像情報合成手
段は、投影光学系の内部に設ける事ができる。そのた
め、必要以上にレンズバックを取る必要がないので、投
影光学系に非球面やレンズの追加を行う必要がなく、コ
ストや大きさの面で有利となる。しかし、このような画
像情報合成手段は、投影光学系の内部であればどこに配
置しても良いわけではない。これについては後述する。

【００３９】その他、一般に、色合成ミラーのような画
像情報合成手段と表示パネルとの距離が大きくなると、
それに応じて画像情報合成手段の位置ずれや角度ずれに
よる投影像の重ね合わせずれ（コンバージェンスずれ）
が大きくなってしまう。但し、青色については、人間の
比視感度が低いために、それによる投影像の前記コンバ
ージェンスずれが発生していても、観察者が比較的許容
しやすい。従って、本実施形態においては、画像情報合
成手段と表示パネルが最も離れるところ、即ち色合成ミ
ラー２２と表示パネル１４との間に青色の光束が来るよ
うにしている。

【００４０】また、色合成ミラーに入射する軸上光と軸
外光の入射角度が互いに大きく異なると、色合成ミラー
の特性が変化し、投影スクリーン上で色ムラが発生す
る。そこで、色合成ミラー上の位置によって、そこにコ
ーティングされる薄膜の厚みを変化させ、入射角度によ
る特性の変化を抑える事が行われている。しかし、薄膜
の厚みは位置によって自由にコントロールできる訳では
なく、厚みの変化は小さいほどこのような傾斜薄膜の作
成は行いやすい。つまり、色合成ミラーの偏心方向に対
する軸上光と軸外光の入射角度の差は小さいほど望まし
い。

【００４１】このように、一般に、２つの光を合成する
ためには、薄膜を用いた面を利用する事が多い。その中
でも効率の高い合成手段として、ダイクロイック膜とＰ
ＢＳ膜があり、一般によく利用されている。一方、ハー
フミラー等を使用すれば、簡易に合成する事ができる
が、光の損失が大きいので好ましくない。また、プロジ
ェクター等の投影光学系にこれらの合成手段を用いる場
合は、その角度特性に関して注意が必要である。

【００４２】図１３は、ダイクロイック膜の角度特性を
示すグラフである。即ち、ダイクロイック膜に入射する
光の角度の違いによって特性がどの様に変化するかを示
したものである。同図においては、横軸に入射する光の
波長（単位ｎｍ）、縦軸に透過率を取ってある。同図に
示すように、入射角４５度のＳ偏光を基準とすると、入
射角５５度及び３５度のＳ偏光においては、グラフがそ
れぞれ左右にシフトし、透過する波長範囲が変化してい
るのが分かる。

【００４３】図１４は、ＰＢＳ膜の角度特性を示すグラ
フである。即ち、ＰＢＳ膜に入射する光の角度の違いに
よって特性がどの様に変化するかを示したものである。
同図においても同様に、横軸に入射する光の波長（単位
ｎｍ）、縦軸に透過率を取ってある。同図に示すよう
に、入射角４５度のＳ偏光を基準とすると、入射角５５
度及び３５度のＳ偏光においては、グラフがそれぞれ左
右に大幅にシフトし、透過する波長範囲が変化している
のが分かる。また、入射角４５度のＰ偏光を基準とする
と、入射角５５度及び入射角３５度のＰ偏光において
は、波長範囲によっては大幅に透過率が低下しているの
が分かる。

【００４４】これらの図を比較する事で分かるように、
ＰＢＳ膜の方がダイクロイック膜よりも角度変化による
特性の変化が大きい。本発明のように、合成手段に対し
て軸上と軸外で異なる角度で光が入射する場合には、Ｐ
ＢＳ膜のように角度特性が非常に大きく変化するものを
用いるのは好ましくない。故に、ダイクロイック膜を合
成手段に備えているのが望ましいという事になる。但
し、ダイクロイック膜も入射する角度によって或程度特
性が変化するので、ダイクロイック膜に入射する光の角
度差もあまり大きくない方が望ましい。

【００４５】このとき、具体的には以下の条件式を満足
する事が望ましい。 θ＜１５但し、 θ：ダイクロイックミラーの最大画角の主光線と軸上主
光線の空気換算での入射角度の差である。

【００４６】上記条件式は、投影光学系内に配置するダ
イクロイックミラー（色合成ミラー）に対する空気換算
での入射角度の差を規定している。このように、角度差
を１５度以下にする事で、傾斜度合いの小さな薄膜で色
ムラを防ぐ事ができるので望ましい。さらには、角度差
が１０度以下になれば、色ムラをさらに軽減する事がで
きるので望ましい。また、ダイクロイックミラーが絞り
に近いと、色ムラを抑える事が困難となる。そこで、本
実施形態においては、図３に示すように、ダイクロイッ
クミラー（色合成ミラー２２）と絞り２４，２５それぞ
れとの間には、それぞれ正のパワーを持つレンズ（群）
（第２群２７，２８）が存在するように配置されてい
る。

【００４７】また、一般に、斜めに傾いた平板ガラスを
通過すると、サジタル像とメリディオナル像の焦点の位
置が、その厚みと傾きに応じてずれてしまうという特性
がある。本実施形態においては、同図に示すように、例
えば表示パネル１２を出た光は、図示しない投影スクリ
ーンに入射するまでに、Ｙ軸周りに回転して傾斜した２
枚の平板ガラス（色合成ミラー２１，２２）を通過して
いるので、このままではサジタル像とメリディオナル像
の焦点位置が大きくずれてしまう。

【００４８】そこで、これを補正するために、これらの
レンズバックの平板ガラス（偏光ビームスプリッタ１
５）を、Ｘ軸周りに回転して傾斜させて配置している。
このように、色合成ミラーと偏光ビームスプリッタの偏
心方向が異なる事により、各平板ガラスの厚みを最適化
する事で、サジタル像とメリディオナル像焦点の位置を
同じにする事ができる。

【００４９】さらに、色合成ミラーと偏光ビームスプリ
ッタの偏心方向は、それぞれＹ軸，Ｘ軸を回転軸として
いるので、互いに直交している。このように、直交した
方向に回転して傾斜した２枚の平板ガラスを通過する
と、軸上光と軸外光の両方でサジタル像とメリディオナ
ル像の焦点位置を揃える事ができる。逆に、偏心方向が
直交していないと、焦点位置を揃える事は難しい。

【００５０】そして、２枚の色合成ミラー２１，２２は
いずれもＹ軸周りに回転して傾斜しているが、その回転
方向は互いに逆方向となっている。これにより、傾いた
平板ガラスに光が入射する際に発生する上記以外の収
差、即ち軸上コマ収差や片ボケを補正する事ができる。
また、投影光学系のレンズ群等の光学要素（以下、レン
ズブロック）を偏心させる事により、上記で補正しきれ
なかった軸上コマ収差や片ボケを補正して、良好な結像
性能を得ている。

【００５１】図４は、本発明の第２の実施形態の光学系
全体の構成を模式的に示すＸ−Ｚ面における断面図であ
る。同図の紙面に垂直で手前側の方向をＹ軸方向とす
る。本実施形態の画像投影装置は、表示パネルとして透
過型の液晶表示素子を用い、照明光学系及び投影光学系
が同一の階に配設された１階建ての構造となっている。

【００５２】同図において、１は光源、２は光源１を取
り囲むように配設され、光源１からの光を反射するリフ
レクター、３は光源１の右側に配設され、光源１からの
光の内、紫外線及び赤外線を遮断する平板状のＵＶＩＲ
カットフィルター、４は更にその右側に配設され、表面
に小さいレンズが多数配列された板状の第１レンズアレ
イ、５は更にその右側に配設され、光源１からの光を特
定の偏光光に変換する三角形状の偏光分離ブロック、６
はその上方に配設され、表面に小さいレンズが多数配列
された板状の第２レンズアレイである。

【００５３】さらに、その上方には、光源１からの光を
各色成分に分離する色分解ミラー７，８が順次配設され
ている。更にそれらの先の分離された光路上には、それ
ぞれミラー９，１０，１１が配置され、それぞれ表示パ
ネル１２，１３，１４へと各色成分を導く働きをしてい
る。また、各表示パネルの直前には、それぞれコンデン
サーレンズ１８′，１９′，２０′が配置され、投影光
学系に無駄なく照明されるように作用する。その他の各
構成要素の働きは、第１の実施形態で説明した内容と同
じである。以上の構成が照明光学系である。

【００５４】さらに、１８〜２０は各表示パネルの直後
に設けたコンデンサーレンズ、１５〜１７は偏光ビーム
スプリッタである。また、２１は表示パネル１２，１３
からの変調後のそれぞれの光束Ｇ，Ｒを合成する色合成
ミラー、２２は表示パネル１４からの変調後の光束Ｂと
前記光束Ｇ，Ｒが合成された光束とを合成する色合成ミ
ラーである。また、２３は、光束Ｂの光路を光束Ｇ，Ｒ
の光路と光学的に同じにするための、平板ガラスより成
るダミーガラスである。

【００５５】同図の左側には、図示しない投影スクリー
ンが設けられており、本実施形態の投影光学系は、その
投影スクリーンから見て、負の第１群２６、正の各第２
群２７，２８、各絞り２４，２５、正の各第３群２９，
３０の各レンズ群より成る。そして、負の第１群２６と
正の第２群２７，２８との間には、Ｙ軸周りに回転して
傾斜した上記色合成ミラー２２が配設されている。

【００５６】また、第３群２９のレンズバックには、Ｙ
軸周りに回転して傾斜した上記色合成ミラー２１、及び
Ｘ軸周り，Ｚ軸周りにそれぞれ回転して傾斜した上記偏
光ビームスプリッタ１５，１６が配設されている。ま
た、第３群３０のレンズバックには、Ｙ軸周りに回転し
て傾斜した上記ダミーガラス２３及びＺ軸周りに回転し
て傾斜した上記偏光ビームスプリッタ１７が配設されて
いる。各構成要素の働きは、第１の実施形態で説明した
内容と同じである。以上の構成が投影光学系である。

【００５７】上述したように、表示パネルが透過型の場
合は、照明から投影までを同一平面で行う事ができる。
ここで、２枚の色合成ミラー２１，２２はいずれもＹ軸
周りに回転して傾斜しているが、その回転方向は互いに
同じ方向となっている。これにより、３つの表示パネル
を互いに近い位置に配置する事ができるので、照明光学
系の色分解ミラー等の配置が非常に行いやすい。

【００５８】但し、その際には、上述した軸上コマ収差
や片ボケが発生するので、それを補正するために、投影
光学系のレンズブロックを偏心させている。さらに、偏
心させるレンズブロックは２つ以上とする事により、非
常に良好な光学性能を得ている。また、投影光学系の色
合成ミラーを小さくし、レンズバックを小さくするため
に、各色合成ミラーにおける光の折り返し方向は、各表
示パネルの短辺に関する方向としている。

【００５９】図５は、本発明の第３の実施形態の光学系
全体の構成を模式的に示すＸ−Ｚ面における断面図であ
る。同図の紙面に垂直で手前側の方向をＹ軸方向とす
る。本実施形態の画像投影装置は、表示パネルとして透
過型の液晶表示素子を用い、照明光学系及び投影光学系
が同一階に配設された１階建ての構造となっている。

【００６０】同図において、１は光源、２は光源１を取
り囲むように配設され、光源１からの光を反射するリフ
レクター、３は光源１の右側に配設され、光源１からの
光の内、紫外線及び赤外線を遮断する平板状のＵＶＩＲ
カットフィルター、４は更にその右側に配設され、表面
に小さいレンズが多数配列された板状の第１レンズアレ
イ、５は更にその右側に配設され、光源１からの光を特
定の偏光光に変換する三角形状の偏光分離ブロック、６
はその上方に配設され、表面に小さいレンズが多数配列
された板状の第２レンズアレイである。

【００６１】さらに、その上方には、光源１からの光を
各色成分に分離する色分解ミラー７，８が順次配設され
ている。更に色分解ミラー８の先の分離された光路上に
は、それぞれミラー９，１０が配置され、それぞれ表示
パネル１２，１３へと各色成分を導く働きをしている。
そして、色分解ミラー７の先の分離された光束Ｂの光路
上には、表示パネル１４が直接配置されている。各構成
要素の働きは、第１の実施形態で説明した内容と同じで
ある。以上の構成が照明光学系である。

【００６２】さらに、１８〜２０は各表示パネルの直後
に設けたコンデンサーレンズである。また、２１は表示
パネル１２，１３からの変調後のそれぞれの光束Ｇ，Ｒ
を合成する色合成ミラー、２２は表示パネル１４からの
変調後の光束Ｂと前記光束Ｇ，Ｒが合成された光束とを
合成する色合成ミラーである。また、１１′は、光束Ｂ
の光路を光束Ｇ，Ｒの光路と光学的に同じにするため
の、裏面鏡より成るミラーである。この場合、ミラー１
１′の基板となる平板ガラスの光学的厚みは、色合成ミ
ラー２１の光学的厚みの半分になるようにしてある。つ
まり、第１，第２の実施形態におけるダミーガラス２３
と同等の働きをするものである。

【００６３】同図の左側には、図示しない投影スクリー
ンが設けられており、本実施形態の投影光学系は、その
投影スクリーンから見て、負の第１群２６、正の各第２
群２７，２８、各絞り２４，２５、正の各第３群２９，
３０の各レンズ群より成る。そして、負の第１群２６と
正の第２群２７，２８との間には、Ｙ軸周りに回転して
傾斜した上記色合成ミラー２２が配設されている。

【００６４】また、第２群２７と絞り２４との間、及び
第２群２８と絞り２５との間には、それぞれシリンダー
レンズ３１，３２が配設されている。色合成ミラーを通
過する際に発生する非点隔差は、これらシリンダーレン
ズの曲率を最適化する事で補正する事ができる。一般
に、画像光がシリンダーレンズを透過すると、シリンダ
ー曲率を持つ方向の像点だけが移動する。従って、曲率
を持つ方向をサジタルまたはメリディオナルの方向に合
わせると、これらの像の焦点位置をずらす特性がある。

【００６５】この特性を利用して、色合成ミラーを透過
する際に発生する非点隔差を、投影光学系内のシリンダ
ーレンズによって補正する事ができる。このとき、色合
成ミラーの傾きの方向とシリンダーレンズの曲率の方向
は、互いに平行であるか、直交している事が望ましい。
本実施形態では、それぞれ傾斜の回転軸方向と、曲率半
径の中心軸方向とが、共にＹ軸方向で平行となってい
る。

【００６６】また、本実施形態では、シリンダーレンズ
は投影光学系の内部に配設されている。シリンダーレン
ズを投影光学系と表示パネルとの間に配置すると、その
分だけ余分にレンズバックを必要とする。必要以上にレ
ンズバックを取る事は、良好な光学性能を維持する事が
困難となるので好ましくない。逆に、投影光学系内の、
当初より空間的に余裕がある場所にシリンダーレンズを
配置する事により、光学性能を劣化させる事なく非点隔
差を良好に補正する事ができる。その他の各構成要素の
働きは、第１の実施形態で説明した内容と同じである。
以上の構成が投影光学系である。

【００６７】以下に、本発明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。尚、以下に挙げる実施例
１〜３は、上述した第１〜第３の実施形態にそれぞれ対
応している。各実施例においては、物体側から数えた面
番号を持つ面の曲率半径，軸上面間隔（ここでは偏心前
の状態について示す），その面を持つレンズのｄ線に対
する屈折率及びアッベ数を示している。また、データ中
で＊印を付けた面は偏心ブロックを示している。

【００６８】《実施例１》表示パネルの大きさ：３５×２１ｍｍＦナンバー：３．５〔面番号〕〔曲率半径〕〔軸上面間隔〕〔ｄ線屈折率〕〔アッベ数〕物体(投影スクリーン) ∞ 845.000000 ｒ１ 39.66906 0.950000 1.7545 51.57 ｒ２ 27.65747 12.783077 ｒ３ 54.98179 0.950000 1.5410 63.90 ｒ４非球面 20.90005 ＊ｒ５ ∞ 1.500000 1.5168 65.26 ｒ６ ∞ ＊ｒ７ 62.93923 3.058765 1.8215 30.01 ｒ８ 170.11326 41.769754 絞り２４，２５ ∞ 16.981274 ｒ１０ 203.20391 8.294456 1.5045 68.06 ｒ１１ -28.18481 5.853274 1.8270 26.47 ｒ１２ -66.71413 0.100000 ｒ１３ 365.79827 3.579332 1.6226 57.53 ｒ１４ -77.84556 ＊ｒ１５ ∞ 1.500000 1.5168 65.26 ｒ１６ ∞ ＊ｒ１７ ∞ 2.287789 1.5168 65.26 ｒ１８ ∞ ＊ｒ１９ 93.97493 3.542424 1.5168 65.26 ｒ２０ ∞ 2.000000 像面(表示ハ゜ネル) ∞

【００６９】非球面係数（４面） ε: 0.083523 A : 0.328407×10^-5 B : -0.718084×10^-8 C : 0.139205×10^-10 D : -0.234611×10^-13

【００７０】《実施例２》表示パネルの大きさ：３５×２１ｍｍＦナンバー：３．５〔面番号〕〔曲率半径〕〔軸上面間隔〕〔ｄ線屈折率〕〔アッベ数〕物体(投影スクリーン) ∞ 845.000000 ｒ１ 36.59032 0.950000 1.7580 50.97 ｒ２ 27.57021 13.817544 ｒ３ 68.99720 0.950000 1.4935 69.56 ｒ４非球面 20.19380 ＊ｒ５ ∞ 1.500000 1.5168 65.26 ｒ６ ∞ ＊ｒ７ 64.96394 3.095735 1.7670 32.69 ｒ８ 197.73667 42.000866 絞り２４，２５ ∞ ＊ｒ１０ 188.44589 6.497652 1.5097 67.40 ｒ１１ -29.52877 2.222229 1.8308 27.58 ｒ１２ -70.05603 0.100000 ｒ１３ 386.89580 3.431581 1.6324 56.95 ｒ１４ -78.25591 ＊ｒ１５ ∞ 1.500000 1.5168 65.26 ｒ１６ ∞ ＊ｒ１７ ∞ 2.348325 1.5168 65.26 ｒ１８ ∞ ＊ｒ１９ 91.51872 3.648662 1.5168 65.26 ｒ２０ ∞ 像面(表示ハ゜ネル) ∞

【００７１】非球面係数（４面） ε: 0.08579 A : 0.338300×10^-5 B : -0.749931×10^-8 C : 0.153227×10^-10 D : -0.250424×10^-13

【００７２】《実施例３》表示パネルの大きさ：３５×２１ｍｍＦナンバー：３．５〔面番号〕〔曲率半径〕〔軸上面間隔〕〔ｄ線屈折率〕〔アッベ数〕物体(投影スクリーン) ∞ 845.000000 ｒ１ 34.68451 6.350760 1.7545 51.57 ｒ２ 24.27629 15.609618 ｒ３ 159.53462 2.239627 1.4875 70.44 ｒ４非球面 18.32227 ＊ｒ５ ∞ 1.500000 1.5168 65.26 ｒ６ ∞ ＊ｒ７ 48.00943 5.833091 1.8497 37.48 ｒ８ 195.60865 20.914608 ｒ９Ｙ方向 4492.36862 2.000000 1.5168 65.26 ＸorＺ方向 ∞ ｒ１０ ∞ 7.951505 絞り２４，２５ ∞ 10.816872 ｒ１２ 148.10371 5.347790 1.5507 62.97 ｒ１３ -23.98899 1.000000 1.8471 25.02 ｒ１４ -63.97933 44.662225 ｒ１５ 84.72037 4.314889 1.8324 41.59 ｒ１６ 391.73594 ＊ｒ１７ ∞ 1.500000 1.5168 65.26 ｒ１８ ∞ ＊ｒ１９ 49.26556 10.907630 1.5168 65.26 ｒ２０ 4482.33423 3.000000 像面(表示ハ゜ネル) ∞
０．００００００

【００７３】非球面係数（４面） ε： −０．２１３５４５Ａ：０．６９３６０６×10^-5 B : -0.111558×10^-7 C : 0.1653
98×10^-10 D : -0.410292×10^-13

【００７４】また、以下に挙げる表１〜表３は、それぞ
れ上述した実施例１〜３の偏心ブロックデータを示して
おり、Ｘ，Ｙ，Ｚは各ブロックの頂点座標、Ｘ回転は各
ブロックの頂点を通るＸ軸を回転軸とした回転角度、Ｙ
回転は各ブロックの頂点を通るＹ軸を回転軸とした回転
角度をそれぞれ示している。

【００７５】

【表１】

【００７６】

【表２】

【００７７】

【表３】

【００７８】また、図６，図８，図１０は、それぞれ上
述した実施例１〜３の歪曲図を示している。各図中の実
線は計測値、破線は計算値である。そして、図７，図
９，図１１は、それぞれ実施例１〜３のスポットダイヤ
グラムを示している。それぞれの点像に付けられた，
，…の数字は、各歪曲図のグリッド上に付けられた
数字と一致しており、それぞれの位置関係を示してい
る。これらの図より、本発明の各実施形態においては、
歪曲性能，点像性能共に良好である事が分かる。

【００７９】最後に、上記条件式に対応した各実施例に
おけるθの値を表４に示しておく。

【表４】

【００８０】尚、特許請求の範囲で言う画像表示素子
は、実施形態における表示パネルに対応するものであ
り、画像情報合成手段は、色合成ミラーに対応するもの
である。また、請求項４で言う補正部材は、実施形態に
おけるシリンダーレンズに対応するものである。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プリズムを用いずに色合成を行い、低コストでしかも良
好な結像性能を有する画像投影装置を提供する事ができ
る。

【００８２】特に、請求項１又は請求項２によるなら
ば、色ムラを良好に低減する事ができる。

【００８３】また、請求項３によるならば、ダイクロイ
ックミラーにおける傾斜度合いの小さな薄膜で色ムラを
防ぐ事ができる。

【００８４】また、請求項４によるならば、投影光学系
内の、当初より空間的に余裕がある場所に補正部材（シ
リンダーレンズ）を配置する事により、光学性能を劣化
させる事なく非点隔差を良好に補正する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の照明光学系の構成を
模式的に示す図。

【図２】光束を折り返すミラー付近を、側面より見た
図。

【図３】本発明の第１の実施形態の投影光学系の構成を
模式的に示す図。

【図４】本発明の第２の実施形態の光学系全体の構成を
模式的に示す図。

【図５】本発明の第３の実施形態の光学系全体の構成を
模式的に示す図。

【図６】本発明の第１の実施形態の投影光学系の歪曲
図。

【図７】本発明の第１の実施形態の投影光学系のスポッ
トダイヤグラム。

【図８】本発明の第２の実施形態の投影光学系の歪曲
図。

【図９】本発明の第２の実施形態の投影光学系のスポッ
トダイヤグラム。

【図１０】本発明の第３の実施形態の投影光学系の歪曲
図。

【図１１】本発明の第３の実施形態の投影光学系のスポ
ットダイヤグラム。

【図１２】ダイクロイックミラーの構成を模式的に示す
説明図。

【図１３】ダイクロイック膜の角度特性を示すグラフ。

【図１４】ＰＢＳ膜の角度特性を示すグラフ。

【符号の説明】

１光源２リフレクター３ＵＶＩＲカットフィルター４第１レンズアレイ５偏光分離ブロック６第２レンズアレイ７，８色分解ミラー９，１０，１１ミラー１２，１３，１４表示パネル１５，１６，１７偏光ビームスプリッタ１８，１９，２０コンデンサーレンズ２１，２２色合成ミラー２３ダミーガラス２４，２５絞り２６第１群２７，２８第２群２９，３０第３群３１，３２シリンダーレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２枚の画像表示素子と、該画
像表示素子の画像情報を投影する投影光学系とを有し、
前記画像表示素子の画像情報を合成する画像情報合成手
段を、前記投影光学系の内部に備え、以下の条件を満足
する事を特徴とする画像投影装置； θ＜１５但し、 θ：画像情報合成手段に入射する最大画角の主光線と軸
上主光線の空気換算での入射角度の差である。
【請求項２】３枚の画像表示素子と、該画像表示素子
の画像情報を投影する投影光学系とを有し、第１及び第
２の前記画像表示素子の各画像情報を合成する第１の画
像情報合成手段を、前記投影光学系と該第１及び第２の
画像表示素子との間に備え、合成した前記各画像情報と
第３の前記画像表示素子の画像情報とを合成する第２の
画像情報合成手段を、前記投影光学系の内部に備えた事
を特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項３】前記画像情報合成手段はダイクロイック
ミラーである事を特徴とする請求項１又は請求項２に記
載の画像投影装置。
【請求項４】前記ダイクロイックミラーを前記画像情
報が通過する際に発生する非点隔差を補正する補正部材
を、前記投影光学系の内部に備えた事を特徴とする請求
項３に記載の画像投影装置。