JP2001100313A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】投射型映像表示装置の小型化と、明るさ向上、
高画質化等高性能化の達成。 【解決手段】投射型の映像表示装置において、リフレク
タに光源を挿入し保持するためのリフレクタ中心部の穴
あるいは光源管球のうち最大外径の大きい方のリフレク
タの光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径をｒ、該
光屈折板の光軸方向の厚みをｔ、該光屈折板の屈折率を
Ｎ、光軸と該光屈折板の入射曲面のなす角度をθ、該光
屈折板による光線のシフト量をδとしたときに、δが下
記条件を満たす光屈折板を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶パネルあるい
は反射式映像表示素子などのライトバルブ素子を使用し
て、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、
液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ
装置、液晶テレビジョン、投写型ディスプレイ装置等の
映像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネル、入射側偏光板、出射側偏光
板からなる液晶ライトバルブユニットに、光源ユニット
からの光を当てて、液晶パネルの画像を投射手段により
拡大投射する液晶プロジェクタ等の投写型映像表示装置
が知られている。

【０００３】この種の映像表示装置に使用される光源ユ
ニットからの出射光束面の照度分布には、光源管球ある
いはリフレクタの中心部の穴の影により光軸付近に円状
の暗い部分がある。この出射光を直接ライトバルブ素子
に入射した場合、得られる投射映像にも、光軸付近に暗
い円状のスポットが現れ、照度分布が不均一な映像とな
ってしまう。従来、この影を無くすために、特開平３−
１９６１３４号公報に開示されているような一対の略平
行な円錐面をもつ光屈折板を用いることや、この影をな
くし、かつ映像周辺部まで照度分布を均一にするために
特開平３−１１１８０６号公報に開示されているような
２枚のレンズアレイからなるインテグレータ照明光学系
を用いることが知られている。

【０００４】これらの技術は投射映像の照度分布を一様
に近づけるためのものであるが、この種の映像表示装置
に求められる他の光学性能に明るさと、コントラストが
ある。

【０００５】液晶ライトバルブユニットは、その視野角
特性により垂直な入射光に対してはコントラストが高
く、入射光角度が大きくなる程、コントラストが低下す
る。

【０００６】また、この種の映像表示装置により投射さ
れる映像を光源の光束量を変えずに明るくするために
は、光源から放射される全光束量に対して投射映像に寄
与する光束量の比率（以下、光利用効率と呼ぶ）を高く
する必要がある。そのために光源ユニットのリフレクタ
外径を大きくし、光利用効率を高くする方法がある。し
かし、リフレクタ外径を大きくした場合にはライトバル
ブ素子への入射光角度が大きくなり、コントラストが低
下する。

【０００７】以上のように、従来技術においては液晶表
示素子への入射光角度を小さくすることによるコントラ
スト性能の向上と、リフレクタ外径の大型化等による光
源ユニットの光利用効率の向上がもたらす明るさの向上
はトレードオフの関係にあり、両立することは困難であ
った。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記光学ユニットの大
きさの小型化に関する事項と、明るさおよびコントラス
ト向上に関する事項への対応技術が、それぞれ課題とな
っている。

【０００９】映像表示装置において、液晶表示素子への
入射光角度を小さくすることによるコントラスト性能の
向上と、リフレクタ外径の大型化等による光源ユニット
の光利用効率の向上はトレードオフの関係にあり、両立
することは困難であった。

【００１０】また、上記の２つの性能を両立する目的の
ために、リフレクタ外径を小型化せずに、液晶表示素子
への入射光角度が小さくなるように光屈折板を挿入する
と、光屈折板長の分だけ光学ユニットが長くなり映像表
示装置が大きくなる。

【００１１】本発明ではこうした従来の問題点を解決
し、小型で明るさ、コントラスト等の画質性能が良好な
投写型の映像表示装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では光を放射する光源とその放射光を反射す
るリフレクタとからなる光源ユニットと、該光源ユニッ
トからの出射光束面積を小さくするための一対の略平行
な円錐面をもつ光屈折板と、該光源ユニットから出射
し、該光屈折板を透過した光を、映像信号に応じた光学
像に形成するライトバルブ手段である映像表示デバイス
と、その光学像を投射する投射手段とで構成される投射
型映像表示装置、および該光源ユニットと、該光屈折板
と、２枚のレンズアレイからなるインテグレータ照明光
学系と、該映像表示デバイスと、該投射手段とで構成さ
れる投射型映像表示装置、および該光屈折板が光源ユニ
ットのリフレクタ前面に組み込まれた光源ユニットにお
いて、リフレクタからの出射光光束面の光軸付近に生じ
るリフレクタ中心部の穴あるいは光源管球の影による暗
い部分に、図１に示すような光屈折板の屈折作用により
周辺光をシフトさせることで光束量をほとんど損失する
ことなく光屈折板透過後の光束面面積を小さくし、ライ
トバルブ素子への入射光角度を小さくする。

【００１３】図２に光屈折板の中心断面の上半分を示
す。図２とスネルの式より、この光屈折板による光のシ
フト量δは下記の式となる。図２に示すように光屈折板
の屈折率をＮ、光軸と光屈折板の入射曲面のなす角度を
θ、光屈折板の光軸方向の厚みをｔとしたときに

【００１４】

【数７】

【００１５】次に光線のシフト量δについて、光利用効
率を低くすることなく、映像表示デバイスへの入射光角
度範囲を狭くする設計手段を示す。各種光源ユニット毎
の出射光の角度分布の違いにもよるが、リフレクタから
の出射光が平行光の場合、光源ユニットからの出射光束
の中央の影は、リフレクタ中心部の穴および光源管球の
うち最大外径の大きい方の影とほぼ同じサイズ(以後、
ｒとする)となるため、δ≧ｒとしたときに光源球、あ
るいはリフレクタの中心穴による陰を完全に無くすこと
ができ、この場合は出射光束面積を大幅に小さくするこ
とができる。しかし、δ＞ｒの場合には光屈折板への入
射光光束面において光軸点中心に半径δの範囲内にある
入射光は光屈折板出射時には光軸に対して反対方向には
み出しているため、出斜面で光軸に対し角度を持つよう
に屈折され迷光となってしまう。また、δ＝ｒの場合に
は光軸付近への集光量が多くなり光軸付近に輝点を生じ
る場合がある。輝点を生じないようにするためには光屈
折板によるシフト量をδ＜ｒにすればよい。また、ユニ
ットからの出射光にはある角度範囲があり、この成分が
無視できない場合、この角度範囲を考慮すると光屈折板
によるシフト量δはｒ／２＜δ＜ｒが有効である。

【００１６】次に、映像表示装置の高輝度化および高画
質化、小型化をより可能とする光屈折板の形状について
説明する。この光屈折板は光軸方向の長さを短くするた
めに光が透過しない部分である図２のＡ部およびＢ部を
無くすことができる。また、体積を小さくするために同
じく光が透過しない部分である図１のＣ部およびＤ部を
無くすことができる。さらに体積を小さくするために、
リフレクタの外形に応じて、リフレクからの出射光束面
よりはみ出す部分を無くすことができる。ここで、図２
のＡ部およびＢ部が無い場合の光屈折板の光軸方向の長
さＴを最短とする条件の求め方を以下に示す。図２に示
すように、ｄ／２は光屈折板の光軸に垂直な平面への投
影略円の半径を表す。図２とスネルの式より、Ｔは次式
で表される。

【００１７】

【数８】

【００１８】このようにＴはd/2、δ、Ｎ、θの関数で
あり、以下に示すｄθによる微分式を0とするθのとき
にＴは最短となる。

【００１９】

【数９】

【００２０】ここで、リフレクタ出射面のリフレクタの
光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径をD/2、リフ
レクタに光源を挿入し保持するためのリフレクタ後部穴
および光源管球のうち最大外径の大きい方のリフレクタ
の光軸に垂直な平面への投影略円の半径をｒとしたと
き、リフレクタからの全出射光が光屈折板を透過するた
めには、ｄ／２＝Ｄ／２とする必要がある。また、δ＝
ｒとすると、上式は次のようになる。

【００２１】

【数１０】

【００２２】図３に、ｒ＝4.5±0.5、D/2＝36±2mm、32
±2mm、21±2mm、Ｎ＝1.5、1.8の各場合のdT/dθの値に
よるレンズ長Ｔの変化を示す。図３より、

【００２３】

【数５】

【００２４】の各場合に光屈折板長が[最短長＋３mm]以
内に収まることが分かる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２６】図４は、本発明による投写型液晶表示装置
の一実施形態を示す装置全体の図であり、内部に光学ユ
ニット、電源、信号回路基板などが配置される。

【００２７】図５は、本発明による投写型液晶表示装置
の一実施形態を示す、光学系構成図である。

【００２８】図５において、投射型液晶表示装置には、
光源１があり、光源１は、超高圧水銀ランプ、メタルハ
ライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、
ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源から出射し
た光は、円形ないし多角形の出射開口を持つ反射鏡で反
射される。この光源と反射鏡を合わせて光源ユニット１
と呼ぶこととする。光源ユニット１を出射した光は、光
屈折板２、第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４、
偏光変換素子５を通過して全反射ミラー６にて光線の方
向を９０°曲げられ、ダイクロイックミラー７とダイク
ロイックミラー８によってＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ
（青色）に分離された後、全反射ミラー９、全反射ミラ
ー１０、全反射ミラー１１により光線の方向を曲げられ
てＲ、Ｇ、Ｂに対応するライトバルブ素子である液晶表
示素子１２、液晶表示素子１３、液晶表示素子１４に入
射する。Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの液晶表示素子を通過した
光はダイクロイックプリズム１５によって再び合成さ
れ、投射レンズ１６によってスクリーンに投射される。
ここで、光屈折板は図６に示すように２つ以上に分割し
て用いることや、図７に示すように光源ユニット内に組
み込むことも可能である。

【００２９】図８は本発明の実施形態を示した光源ユニ
ット近傍の構成の中心断面図である。ランプから放射さ
れた光はリフレクタによって出射方向に反射されライト
バルブ素子方向に進む。このリフレクタからの出射光束
面は中央部がランプ管球の影により暗くなっている。こ
のリフレクタからの出射光線は光屈折板２を透過する際
に、その光線屈折作用により出射光束断面の中央部の暗
部が少なくなるような光路に変更される。このために光
屈折板透過後の光束断面は、中央部の暗部が少なくな
り、その面積分だけ光束断面積を小さくすることができ
る。この様子を図９に示す。そして光屈折板透過後に設
置される第１アレイレンズ３、第２アレイレンズ４から
なるインテグレータ照明光学系によりライトバルブ素子
への照射光の照度分布を一様に近づけることができ、そ
の後に配置される偏光変換素子５により出射光をＳ偏光
あるいはＰ偏光に揃えることができる。また、このイン
テグレータ照明光学系および偏光変換素子は用いなくて
もかまわない。

【００３０】次に、この光屈折板の光軸方向の全体長を
最短とした実施例を示す。リフレクタ出射面のリフレク
タの光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径をD/2、
リフレクタに光源を挿入し保持するためのリフレクタ後
部穴および光源管球のうち最大外径の大きい方のリフレ
クタの光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径をｒ、
光屈折板の屈折率をＮ、光軸と光屈折板の入射曲面のな
す角度をθ、光軸方向の光屈折板の長さをＴ、光源ある
いはインテグレータ照明光学系を用いる場合には第２ア
レイレンズからライトバルブ素子までの距離をＬ、光屈
折板を用いない場合のライトバルブ素子への光の入射角
度範囲をα、光屈折板を用いる場合のライトバルブ素子
への光の入射角度範囲をβとしたとき、D/2、ｒ、Ｎ、
の値により、Ｔを最短とするθが求まる。また、D/2、
Ｌからαが求まり、D/2、ｒ、Ｌからβが求まるので、
光屈折板を挿入することによるライトバルブ素子への光
の入射角度範囲の減少効果が分かる。その例を図１０に
示す。

【００３１】以下に、この光屈折板によってライトバル
ブ素子への入射光角度を小さくすることの効果を説明す
る。他の条件が一定の場合、ライトバルブ素子への入射
光角度が小さくなると、コントラストが向上するだけで
なく、次に示すように明るさなども向上する。

【００３２】映像表示装置の明るさを向上するために
は、ランプから放射される全光束量のうち、各光学素子
からなる光学ユニットの外へ発散される光、および液晶
表示素子のブラックマトリクスや投射レンズの鏡胴の内
壁などによって遮られる光を少なくする必要があるが、
ライトバルブ素子への入射光角度が小さくなるとこれら
の途中で遮られる光が少なくなるために明るさが向上す
る。また、ダイクロイックミラーや、ＰＢＳに蒸着され
ている光学薄膜はその光学特性が入射光角度に依存する
ため入射光の角度範囲に比例して性能が悪くなる。

【００３３】ライトバルブ素子への入射光角度を小さく
することの効果をまとめると、（１）ライトバルブ素子
に液晶表示素子を用いた場合、映像のコントラストが向
上する。（２）映像投射手段に同じサイズの投射レンズ
を用いた場合、映像の明るさが向上する。（３）ライト
バルブ素子にマイクロレンズ付き液晶表示素子を用いた
場合、映像の明るさが向上する。（４）光学薄膜の性能
が相対的に良くなるため、明るさの向上、色むらの減少
など像性能が向上する。

【００３４】ライトバルブ素子への入射光角度を小さく
するための手段として光源ユニットのリフレクタ径を小
さくする事、光源ユニットからライトバルブ素子までの
光路長を長くする事が考えられる。しかし、前者の方法
では光源ユニットの光利用効率が低くなり、暗い映像表
示装置となり、後者の方法では映像表示装置が大きくな
る。

【００３５】この構成において、リフレクタ外径および
光源からライトバルブ素子までの距離を従来の構成と同
じにした場合には、ライトバルブ素子への入射光角度範
囲が小さくなるため投射映像の高輝度化および高画質化
が可能となり、ライトバルブ素子への入射光角度範囲を
一定とした場合には、光源から映像表示デバイスまでの
距離が短くなるため、映像表示装置を小型化すること
が、ランプから放射される光の利用効率を低くすること
なく可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の投写型映
像表示装置は、得られる投射映像の光束量をほとんど損
失せずに、光源ユニットからの出射光束の断面積を小さ
くすることができるので、投写型映像表示装置のコント
ラストと明るさの性能向上の両立が装置をあまり大きく
することなく可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一部品形態を示す図である。

【図２】本発明の一部品形態を示す図である。

【図３】本発明の効果を示す図である。

【図４】本発明の一実施形態を示す投射型液晶表示装置
の構成図である。

【図５】本発明の一実施形態を示す投射型液晶表示装置
の構成図である。

【図６】本発明の一実施形態を示す構成図である。

【図７】本発明の一部品形態を示す図である。

【図８】本発明の一部品形態を示す図である。

【図９】本発明の効果を示す図である。

【図１０】本発明の実施例を示す表である。

【符号の説明】

１…光源ユニット ２…光屈折板 ３…第１アレイレンズ ４…第２アレイレンズ ５…偏光変換素子 ６…全反射ミラー ７…ダイクロイックミラー ８…ダイクロイックミラー ９…全反射ミラー １０…全反射ミラー １１…全反射ミラー １２…液晶表示素子 １３…液晶表示素子 １４…液晶表示素子 １５…ダイクロイックプリズム １６…投射レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 仕明 卓也 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所デジタルメディアシステ ム事業部内 (72)発明者 山崎 太志 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所デジタルメディアシステ ム事業部内 (72)発明者 山口 英治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所デジタルメディアシステ ム事業部内 (72)発明者 小沼 順弘 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所デジタルメディアシステ ム事業部内 (72)発明者 角田 隆史 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所デジタルメディアシステ ム事業部内 Ｆターム(参考） 5G435 AA02 AA03 AA18 BB12 BB15 BB17 CC09 CC12 DD05 DD09 DD13 EE26 FF02 FF05 FF07 FF12 GG03 GG23 GG46 HH02 LL15

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光を放射する光源とその放射光を反射する
   リフレクタとからなる光源ユニットと、該光源ユニット
   からの出射光の光束面積を小さくするための一対の略平
   行な円錐面をもつ光屈折板と、該光源ユニットから出射
   し、該光屈折板を通過した光から、映像信号に応じた光
   学像を形成するライトバルブ手段である映像表示デバイ
   スと、その光学像を投射する投射手段とで構成される投
   射型の映像表示装置において、 リフレクタに光源を挿入し保持するためのリフレクタ中
   心部の穴あるいは光源管球のうち最大外径の大きい方の
   リフレクタの光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径
   をｒ、該光屈折板の光軸方向の厚みをｔ、該光屈折板の
   屈折率をＮ、光軸と該光屈折板の入射曲面のなす角度を
   θ、該光屈折板による光線のシフト量をδとしたとき
   に、δが下記条件を満たす光屈折板を用いたことを特徴
   とする映像表示装置。 【数１】
2. 【請求項２】光を放射する光源とその放射光を反射する
   リフレクタとからなる光源ユニットと、該光源ユニット
   からの出射光の光束面積を小さくするための一対の略平
   行な円錐面をもつ光屈折板と、該光源ユニットから出射
   し、該光屈折板を通過した光から、映像信号に応じた光
   学像を形成するライトバルブ手段である映像表示デバイ
   スと、その光学像を投射する投射手段とで構成される投
   射型の映像表示装置において、 リフレクタに光源を挿入し保持するためのリフレクタ中
   心部の穴あるいは光源管球のうち最大外径の大きい方の
   リフレクタの光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径
   をｒ、該光屈折板の光軸方向の厚みをｔ、該光屈折板の
   屈折率をＮ、光軸と該光屈折板の入射曲面のなす角度を
   θ、該光屈折板による光線のシフト量をδとしたとき
   に、δが下記条件を満たす光屈折板を用いたことを特徴
   とする映像表示装置。 【数２】
3. 【請求項３】光を放射する光源とその放射光を反射する
   リフレクタとからなる光源ユニットと、該光源ユニット
   からの出射光の光束面積を小さくするための一対の略平
   行な円錐面をもつ光屈折板と、透過光の照度分布を一様
   に近づけるための２枚のレンズアレイからなるインテグ
   レータ照明光学系と、該光源ユニットから出射し、該光
   屈折板および該インテグレータ照明光学系を通過した光
   から、映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ
   手段である映像表示デバイスと、その光学像を投射する
   投射手段とで構成される投射型の映像表示装置におい
   て、 リフレクタに光源を挿入し保持するためのリフレクタ中
   心部の穴あるいは光源管球のうち最大外径の大きい方の
   リフレクタの光軸方向に垂直な平面投影略円の最大半径
   をｒ、該光屈折板の光軸方向の厚みをｔ、該光屈折板の
   屈折率をＮ、光軸と該光屈折板の入射曲面のなす角度を
   θ、該光屈折板による光線のシフト量をδとしたとき
   に、δが下記条件を満たす光屈折板を用いたことを特徴
   とする映像表示装置。 【数３】
4. 【請求項４】光を放射する光源とその放射光を反射する
   リフレクタとからなる光源ユニットと、該光源ユニット
   からの出射光の光束面積を小さくするための一対の略平
   行な円錐面をもつ光屈折板と、透過光の照度分布を一様
   に近づけるための２枚のレンズアレイからなるインテグ
   レータ照明光学系と、該光源ユニットから出射し、該光
   屈折板および該インテグレータ照明光学系を通過した光
   から、映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ
   手段である映像表示デバイスと、その光学像を投射する
   投射手段とで構成される投射型の映像表示装置におい
   て、 リフレクタに光源を挿入し保持するためのリフレクタ中
   心部の穴あるいは光源管球のうち最大外径の大きい方の
   リフレクタの光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径
   をｒ、該光屈折板の光軸方向の厚みをｔ、該光屈折板の
   屈折率をＮ、光軸と該光屈折板の入射曲面のなす角度を
   θ、該光屈折板による光線のシフト量をδとしたとき
   に、δが下記条件を満たす光屈折板を用いたことを特徴
   とする映像表示装置。 【数４】
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の映像表
   示装置において、上記光屈折板が該光源ユニット内に組
   み込まれている映像表示装置。
6. 【請求項６】請求項１から５のいずれかに記載の映像表
   示装置において、リフレクタに光源を挿入し保持するた
   めのリフレクタ中心部の穴および光源管球のうち最大外
   径の大きい方のリフレクタの光軸方向への投影略円の最
   大半径をｒ、光屈折板の屈折率をＮ、光軸と光屈折板の
   入射曲面のなす角度をθ、リフレクタ出射面のリフレク
   タの光軸に垂直な平面への投影略円の最大半径をD/2と
   したときに、これらのパラメーターが下記条件を満たす
   映像表示装置。 【数５】 ここで 【数６】