JP2006323420A - 投写用光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
単板式液晶背面投写型画像ディスプレイ装置において明るさと色純度を両立し、コンパクトでハイフォーカスで画面歪みが少なく、かつコントラスト性能を大幅に改善する。
【解決手段】
Ｆ１．５相当の３群構成の投写用レンズ装置で映像発生源を冷却液で直結する構成を採用し、白色照明光の色分離を赤、青、緑の順に行う第１ないし第３のダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２，ＤＭ３を設けた。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光源からの白色光を三原色に分離し表示素子でそれぞれの色光を変調し、スクリーン上に拡大投影する投写型ディスプレイ装置投写型テレビジョン装置等の投写型画像ディスプレイ装置に関するものである。

映像ソースの多様化に伴い、大画面の投写光学装置として軽量、低価格、コンパクトと言う市場性から投写型画像ディスプレイ装置が、市場に広く普及している。こうしたなかで、液晶表示素子（以下液晶パネルと記述する）の精細度と開口率の大幅な向上により、近年投写型画像ディスプレイ装置に使用する映像発生源として液晶パネルを用いたセットが上市され始めている。液晶は、従来の投写型ブラウン管と異なりそれ自体で発光しないので別に光源が必要となる。このため、液晶パネルを用いた投写型画像ディスプレイ装置においては、白色光源からの白色光を三原色に分離し液晶パネルでそれぞれの色光を変調し、液晶パネルに表示された原画像を投写用レンズ装置によりスクリーン上に拡大してフルカラーの映像を表示する構成となっている。

この液晶パネルを用いた投写型画像ディスプレイ装置の光学系は、赤、青、緑の３原色に応じて液晶パネルを３枚使用する３板方式と、液晶パネルを１枚のみを使用する単板方式がある。

３板式は白色光を分離し、得られた赤、緑、青の３原色の色光をそれぞれ伝播する光学系（色分離系）と、その色光の強度を変調し画像を形成する液晶パネルの対をそれぞれ独立に設けており、各色の画像を光学的に重畳（色合成系）してフルカラー表示を行うものである。この３板式の構成では、白色光源から放射された光を有効に利用でき、色の純度も高いという利点がある。しかし、前述のように色分離系と色合成系が必要なため、光学系の部品点数が多くなってしまい、低コスト化の点で単板式に比べ不利になる。

これに対して単板式は液晶パネルを１枚のみ用いる構成であり、 ＴＦＴ開口部の配列によりデルタ配列、ストライプ配列に分類される。初期の単板式ではカラーフィルターにより色分離を行っていたが、カラーフィルターによる光の吸収、反射により光の利用効率が３板式の１／３程度に低下し実用上問題があった。

このような欠点を解決するために、たとえば、特開平４−６０５３８号公報には、その図１に示されるように、扇型に配置されたダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ，４Ｂを用いて白色光源１からの白色光を赤、緑、青の各光束に分割し光の利用効率を向上させるようにした単板式のカラー液晶表示装置が提案されている。

この装置において、上記ダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ，４Ｂにより分割された各光束Ｒ、Ｇ、Ｂは、同公報の図２に示された液晶表示素子２０の光源側に配置されているマイクロレンズアレイ１０にそれぞれ異なった角度で入射する。このマイクロレンズアレイ１０を通過した各色光束はそれぞれに対応した色信号が独立して印加される信号電極により駆動される液晶部位に分配照射される。このため、吸収型のカラーフィルターを用いた液晶表示素子に比べ光の利用率が向上し、明るい画像を得ることができる。

また、特開平５−３２８８０５号公報には、ダイクロイックミラーの波長選択特性の角度依存性による混色の対策として、３原色の分離を長波長側から行い迷光の発生を最小限に押さえることにより色純度の向上を図った投影型カラー液晶表示装置が提案されている。この手法では、Ｒ，Ｇ，Ｂ，の順で光束を分離することでダイクロミラーの特性シフトによる迷光が発生し難くなるため、分割した各光束の色純度が高く、色再現範囲の広い画像を得ることが出来る。

しかしながら、同公報に記載の技術は、その図６（ａ）に示されるように、液晶表示素子の法線に近い角度で入射する光束（Ｇ光束）がマイクロレンズにより屈折しその結果得られる液晶表示素子からの出射角度αに対して、同図（ｂ）に示すように、液晶表示素子の法線に対して斜めから入射する光束（Ｒ光束、Ｂ光束）がマイクロレンズにより屈折しその結果得られる液晶表示素子からの出射角度βが大きくなる。このため、大口径（低Ｆ値）の投影レンズを用いなければならず、投影型カラー表示装置のコストを押し上げる大きな要因になっていた。

これを解決する手段として、特開平８−１１４７８０号公報には、光源の発光スペクトルの最も弱い色光を液晶表示素子の法線に近い角度で入射させることにより、最も少ない色光の投影レンズ瞳位置でのケラレが無くなるので小口径の投影レンズを用いて良好なホワイトバランスを維持することができる。

また、光量の最も少ない色光の色純度が向上するため色再現範囲が広がり鮮やかな画像を得ることができる。

以上述べた投写型画像ディスプレイ装置の光学系に用いる投影レンズとしては、例えば特開平９−９６７５９号公報に提案されたレトロフォーカス型レンズが上げられる。（但し、フランジバックが長いため３板式に最適）この投影レンズ
は半画角が４２度程度で投写距離が短いため背面投写型の画像ディスプレイ装置に適用すれば、折り返しミラー一枚の構成でもコンパクトなセットが実現できる。

この時使用する透過型スクリーンは、レンチキュラーシート及びフレネルレンズシートから成る２枚構成のものが一般的である。また、フレネルレンズシート映像光入射面に画面水平方向を長手方向としたレンチキュラーレンズ設ける場合もある。

しかしながら、上述した単板方式は、特開平８−１１４７８０号公報に提案された手段だけでは、所望の色純度を得ることが困難である。なぜなら、この方式では、ダイクロイックミラーにより分割された各光束Ｒ、Ｇ、Ｂは、図７の液晶表示素子８の光源側に配置されているマイクロレンズアレイ７にそれぞれ異なった角度で入射する。このマイクロレンズアレイ７を通過した各色光束はそれぞれに対応した色信号が独立して印加される信号電極により駆動される液晶部位２４Ｇ，２４Ｒ，２４Ｂに分配照射される。この時、マイクロレンズアレイ７に設けられた個々のマイクロレンズの繋ぎ部分は鋭利な形状にならず光が発散する。このため、例えば比視感度が最も高く光源の発光スペクトルも強い緑色光束の一部が繋ぎ部分で発散し、光源の発光スペクトルの最も弱い赤色光束に混入し、本来赤色光だけが入射する液晶部位２４Ｒにおいて赤色光束と緑色光束が混色し赤色の色純度が低下するためである。

そこで、赤色の色純度を高くするために赤色を分離するダイクロイックミラーの反射特性を赤色光の純度が良くなるようにすると、得られる赤色光束の光量が減り結果として、３色を加色して得られる白のホワイトバランスが崩れる。
この時、他の２色の光束量を減らしてホワイトバランスを合せると３色加色して得られた白色映像の輝度が低下する。

以上述べたように特開平８−１１４７８０号公報に提案された投影型カラー液晶表示装置においも、従来の投写型ブラウン管を用いた投写型画像ディスプレイ装置に比べ明るさも、色純度も充分な水準ではなく、さらに、液晶パネルに黒表示した場合の輝度レベルが高いことからコントラストの低い映像しか得られない。

一方、一般の家庭に設置できるコンパクトな背面投写方式の投写型画像ディスプレイ装置を実現するには、投写距離（投写用レンズ装置からスクリーンまでの距離）の短縮が必須となり、広角な投写用レンズ装置が必要となる。この時、通常の広角な投写レンズ装置を用いると液晶パネルの配光特性のために、周辺光量比は大幅に低下する。この理由は、単板式照明系においては、液晶パネルと白色光源の間に配置した３枚のダイクロイックミラーの分光透過率と反射率が光の入射角によって変化するため、白色光源からの光束は、ほぼ平行光束としてダイクロイックミラーと液晶パネルに入射するため、液晶パネルの各物点から投写用レンズ装置に入射する光束の主光線は、投写用レンズ装置の光軸に略平行となり、その拡がり角はマイクロレンズの開口数に比例する。このような光学系に通常の広角な投写レンズ装置を使用すると、液晶パネル周辺から投写用レンズ装置に取り込める光束が極端に少なくなり、スクリーン上の拡大画像の周辺部が暗くなる。

この他に、投写型画像ディスプレイ装置の光学系に使用される投写用レンズ装置には、（１）画面の隅々までにわたる高いフォーカス性能（倍率の色収差低減を含め）の確保。（２）画面の明るさ向上のためにＦ値の低減。
（３）コンバージェンス調整が出来ないため、ディストーションの低減。（４）レンズ面での反射を低減し、明るさの損失を押さえ十分なコントラスト性能を確保する。などの課題がある。

以上述べたように、投写用レンズ装置は多くの課題があるが実際には、例えば特開平９−９６７５９号公報に提案されたレトロフォーカス型レンズにおいても半画角が４２度程度で投写距離は短いがＦ値が２．５６と大きく、充分な明るさを確保出来ていない。

また、液晶パネルを用いた従来の投写光学系には、通常白色光源と液晶パネル（偏光板も含め）を冷却するための冷却ファン（図示せず）がそれぞれ１個づつ設けられている。このため、コストアップの原因となり、風切り音の低減も課題になっていた。また、このような空冷式では、偏光板を十分に冷却することは困難で、偏光板は、熱の影響により物理的な特性が変化して偏光度が低下し、コントラスト性能が低下する。

一方、使用する透過型スクリーンとしては、例えば特開昭５８−５９４３６号公報に提案された従来技術によれば入斜面のレンチキュラーレンズは楕円柱面の一部であり、その楕円は入射面と出射面の厚さ方向を長軸とし、楕円の２焦点の内１焦点が基材の内部に位置し、他の１焦点が出射面付近に位置するように構成されている。また、楕円の離心率は基材の屈折率のほぼ逆数となるように選ばれている。

この結果、楕円の長軸に平行な光線が入射面から入射した場合、全て出射面付近の焦点に収束し、この焦点からスクリーン画面水平方向に拡散される。

一方、出射面に設けたレンチキュラーレンズは、出射面の表面において入射面の楕円柱とほぼ対称な楕円柱面としている。実際のレンチキュラーレンズシートは図３１、図３２に示したように内部に拡散材が混入されているため光束は１点で集光せず広がりを持つ。このため光吸収層の画面水平方向の幅をレンチキュラーレンズの幅に対して大きく出来ないので、外光の映り込みによる反射光を小さく出来ずコントラスト低下を一定量以内に押え込めない。

以上をまとめると、単板式の投写光学系を搭載した背面投写型画像ディスプレイ装置では、（１）フォーカス性能の向上（２）コントラスト向上の他に（３）色純度と明るさの両立という従来の投写管を用いた背面投写型画像ディスプレイ装置にはない新たな課題がある。

上記第１の目的を達成するため、本発明に係る投写用レンズ装置は、画像発生源からの映像光を拡大してスクリーン上に投影するための複数のレンズエレメントが光軸に沿って配列された構成であって、スクリーン側から順に、第１、第２、第３レンズ群が配置されている。前記第１レンズ群は、そのレンズ群全系が負の屈折力を有し、前記第２レンズ群は、そのレンズ群全系が正の屈折力を有し、前記第３レンズ群は、そのレンズ群全系が負の屈折力を有し、かつ少なくとも中心部分が負の屈折力を持ち、その周辺部が正の屈折力を持つレンズエレメントを含むものである。第１レンズ群は、少なくともスクリーンに対して凸面を設けた負の屈折力を持つメニスカスレンズを含んで構成している。また、第２レンズ群は、少なくとも第１のアッベ数を持つ両凸レンズと、第１のアッベ数よりも小さい第２のアッベ数を持つ両凹レンズとを貼合せた負の屈折力を持つレンズを含んで構成してもよい。さらに、第２レンズ群は、光軸を含む中心部分では正の屈折力を有し、光軸から半径方向に離れた周辺部では殆ど屈折力を持たないもしくは、負の屈折力を有するレンズエレメントを含むものである。

上記の本発明の第１の目的を達成するための投写用レンズ装置は、まず第１に、前述したようにスクリーン側から順に負の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、負の屈折力を有する第３レンズ群から成る３群構成とするものである。この構成は、８０度以上の広画角にしても平坦な像面が得られるため、画面の隅々まで良好なフォーカス性能が得られる。また、この構成は正の第２レンズ群を挟んで両側に負の第１レンズ群と第３レンズ群が対称的に配置されているため、像面湾曲の補正に有利であるばかりでなく、ディストーションも低く押さえることが出来る。

しかしながら、このような３群構成の投写レンズ装置は、第１レンズ群と第３レンズ群のレンズ口径が大きくなり製造コストが高くなるという問題がある。そこで本発明の投写レンズ装置では、第３レンズ群に、光軸近傍は負の屈折力（発散作用）、周辺部は正の屈折力（集光作用）を持つような非球面形状を有するレンズを配置することで、前述した基本構成の長所を生かしつつ、レンズの口径を小さく押さえることが出来る。

第２レンズ群には、光軸近傍は正の屈折力（集光作用）、周辺部は負またはほとんど屈折力の無い（発散作用または発散作用のほとんど無い）非球面レンズを設け、上述した第３レンズ群の非球面レンズと組み合わせることで、液晶パネルからの光束を光軸方向に圧縮できるビームエクスパンダー（光束の幅を変換する）光学系の作用を持たすことが出来る。この結果、実効的な物面の高さを低く出来るので倍率色収差を含め収差補正が容易になる。

さらに第１の目的を実現する第２の手法として、第２群を構成するレンズエレメントの屈折率と分散を最適化することで赤、青色光束により生じる単色収差と倍率色収差をキャンセルさせる。この構成の投写レンズ装置は、光軸上の射出瞳サイズより画面周辺で結像する光束が通過する射出瞳の方が大きくなるためと、光束の主光線が投写レンズ装置の光軸にほぼ平行になるテレセントリックな構成となるため高いフォーカス性能と十分な周辺光量比を確保することが出来る。

スクリーン側から、負、正、負の屈折力となるように配列された３群構成のレンズ装置でなくとも液晶パネルの如く、物点である液晶パネルから射出される光線が光軸と略平行となるものであれば、液晶パネルに最も近い位置に、光軸近傍は負の屈折力（発散作用）、周辺部は正の屈折力（集光作用）を持つような非球面形状のレンズエレメントを配置することにより、光束を光軸方向に圧縮できることは自明である。

すなわち、液晶パネルを用いた投写型画像ディスプレイ装置において、光束を圧縮してレンズ口径を小さくしたい場合には、液晶パネルに最も近い位置に、光軸近傍は負の屈折力（発散作用）、周辺部は正の屈折力（集光作用）を持つような非球面形状のレンズエレメントを配置することが有効である。

さらに、スクリーン全面においてハイフォーカスを実現し、同時に明るい画像を得るために本発明の投写用レンズ装置は、スクリーン中心で結像する光線束とスクリーン最外周部で結像する光線束が重ならない位置に非球面レンズを設けるようにしている。非球面レンズとしては量産数量が確保できれば安価なプラスチックレンズを使用する。しかしながら、このプラスチックレンズには、温度変化や吸湿に伴う形状と屈折率の変化によって屈折力が変動し、焦点位置の変化やフォーカス性能が低下するという大きな問題点がある。そこで、本発明では（１）プラスチックレンズを出来るだけ均一な肉厚にして、温度変化や吸湿に伴う形状と屈折率変化による屈折力の変動を軽減する。（２）プラスチック非球面レンズの局部的な形状により得られる屈折力の温度、湿度変化による変動を複数枚のプラスチック非球面レンズを組み合わせることで相殺する構成とする。

更に、本願発明の第１の目的を実現する第３の手法として、照明系の工夫によってもセットのフォーカス性能を向上させる。本願発明の照明系はダイクロイックミラーによって白色光束を赤、青、緑の順に三原色の光束に分離し、それぞれの光束を異なる角度で同一の液晶パネルに入射させる構成となっている。このため、液晶パネルにより変調された三原色の光束が投写用レンズ装置の入射瞳を通過する時、液晶パネルの画面水平方向に分かれて通過する。そこで、入射瞳の周辺を通過すると発生する収差が最も大きい青色光束が入射瞳の中心を通過するように、ダイクロイックミラーによって白色光束を色分離する。さらに、赤色光束によって発生する収差の向き（符号）を倍率色収差（緑色光束と赤色光速束の結像位置のずれ）をキャンセルする方向に補正する。

次に本発明の第２の目的を達成するための技術手段について述べる。まず本願発明の投写用レンズ装置に採用した技術については前述した通りである。

第２の手法としては、本願発明の投写用光学装置から透過型スクリーンに入射する光束をｐ偏光として投写用レンズ装置を構成するレンズエレメントとスクリーンでの反射損失を低減する。

第３の手法として、照明系において用いる白色光源からの白色光束を三原色の光束に分離し、かつそれぞれの光束を異なる角度で液晶パネルに入射させるダイクロイックミラーを、白色光源側から順にシアン（青と緑）透過のダイクロイックミラーと黄色（緑と赤）透過のダイクロイックミラーと赤透過のダイクロイックミラーとを組み合わせる。この時、それぞれのダイクロイックミラーの反射率が５０％以上となる波長を明るさと色純度を考慮して最適値とする。

また第４の手法として、白色光源から表示素子までの間に、偏光ビームスプリッタを配置し偏光合成することで所望の偏光成分のみを約５０％増やすことができる。この時、ｐ偏波成分のみを取り出すことで複数のレンズ素子から成るマルチレンズアレイでの反射損失を低減できる。更に、前述のダイクロイックミラーと光路折り返しミラーを、偏光ビームスプリッタと光学的に直交する位置に配置し、両者にとってｓ偏光とする。これにより光路折り返しミラーの反射率が大きくなるので明るさが向上する。

第５の手法としては、白色光源に近い第１のマルチレンズアレイに設けた個々のレンズにより分割された光束は液晶パネル側に位置する第２のマルチレンズアレイの対向するレンズにより拡大され液晶パネルに投影されるが、この時、白色光源の分光エネルギー分布が弱い順（赤、青、緑）に分離する。この結果、第２のマルチレンズアレイから液晶パネルまでの光路は赤色光束が最も短くなるので投影倍率が小さくなり、収差によるボケが少なく赤色光束のエネルギー密度が大きくなる。

また、青色光束は比視感度が低いことと、白色光源から出る紫外線を反射するフィルターを光路中に設けるので、有効に使用できる青色光束のエネルギーも小さくなる。そこで、前述したように投写用レンズ装置の入射瞳の中央を青色光束が通過するように、赤色に次いで分離する。この結果、スクリーン上で３色加色した場合に得られる白色光の明るさ並びに各３原色の明るさを最大にできる。

更に、上記本発明の第３の目的を達成する第１の手法として、本発明に係る投写型画像ディスプレイ装置は、液晶パネルと偏光板とを有し、液晶パネルと投写用レンズ装置の最も液晶パネル側に近いレンズエレメントとの間に形成された空間内に、冷却用液体を充填する。液晶パネルとその前面に配置された偏光板は、温度が高くなる（７０℃程度）と熱の影響によりその物理的な特性が変化し、偏光特性が低下してコントラスト性能が低下する場合がある。上記本発明の構成では、液晶パネル及び偏光板を液体（冷媒）によりに冷却するので、空冷式のものに比べ、効率良く両者を冷却することができる。このため、温度上昇の影響により生じる偏光特性の劣化に伴うコントラスト性能の低下を防止して高画質の映像を得ることができる。

また、上記冷却用液体を、波長５８７.６（ｎｍ）の光に対する屈折率が１.２以上の媒質にすれば、映像光の反射が軽減されるので更なる高コントラスト化が可能となる。

また、第２の手法としては、投写レンズ装置のレンズ鏡筒に、液晶パネルにより変調された光束のうち結像に関与する光束を通過し、結像に関与しない光束を吸収遮光する形状を有する開口孔を設ける。この結果、結像に関与しない光束がスクリーン上に到達しないのでコントラスト性能が向上する。

更に、第３の手法としては、透過型スクリーンに白色光源の発光スペクトルが最も強い緑色光を吸収するフィルター特性を備える。これにより、外光がスクリーン面に入射しても、得られる画像のコントラスト性能が低下し難くなる。

最後に、前記第４の目的を達成するための第１の手法は、前述のダイクロイックミラーを、偏光ビームスプリッタと直交する位置に光学的に配置し、ダイクロイックミラーにとってｓ偏光とすることで実現できる。この結果、ダイクロイックミラーの分光反射率特性の立ち上がり部分が急峻に成り色純度が向上する。

また、第２の手法としては、白色光源に近い第１のマルチレンズアレイに設けた個々のレンズにより分割された光束は、液晶パネル側に位置する第２のマルチレンズアレイの対向するレンズにより拡大され液晶パネルに投影されるが、この時、白色光源の分光エネルギー分布が弱い順（赤、青、緑）に分離する。この結果、第２のマルチレンズアレイから液晶パネルまでの光路は赤色光束が最も短くなるので投影倍率が小さくなり、赤色光束のエネルギー密度が大きくなり色純度も向上する。さらに、液晶パネルのマイクロレンズアレイに入射する際に比視感度が最も高く光源の発光スペクトルも強い緑色光束と同一マイクロレンズアレイ内で隣接していないため、この一部がマイクロレンズ相互の繋ぎ部分で発散し、光源の発光スペクトルの最も弱い赤色光束に混色し難くなるため色純度が向上する。

さらに、第３の手法としてダイクロイックミラーの分光反射率特性のリップル成分を低減することで迷光が発生し難くなるため、分割した各光束の色純度が高く、色再現範囲の広い画像を得ることが出来る。

さらに、白色光源に近い第１のマルチレンズアレイに設けた個々のレンズの繋ぎ部分の面精度不良により、分割された光束は液晶パネル側に位置する第２のマルチレンズアレイの対向するレンズに全て入射せず、一部は隣あったレンズに入射する。この結果、拡大された光束は液晶パネルに正規の角度で入射せず混色を起こす原因となる。またこの異常光が投写光学装置の側面や上下面で反射し、ダイクロイックミラーに入射する。このため、これらの反射光については波長シフトが生じ、所望の波長以外の光束が液晶パネルに入射し色純度が低下する。そこで、第４の手法として、投写光学装置の側面や上下面に鋸歯状の凹凸を設けたりシボ加工またはマット処理等を施し、反射率を低減させる。また、光束が通過する場所に複数の開口絞りを設け、不要な光束を遮光吸収することでダイクロイックミラーに入射する異常光束を低減し、色純度の低下を押さえる。

更に第５の手法として、透過型スクリーンに白色光源の発光スペクトルが最も強い緑色光を吸収するフィルター特性を備える。これにより、赤色光と青色光に混色した発光スペクトルが最も強い緑色光を減衰させることで残りの色光の色純度を向上させる。

本発明によれば、（１）投写用レンズ装置を、スクリーン側から順に負の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、負の屈折力を有する第３レンズ群から成る３群構成とする。この為、９０度近い広画角でも平坦な像面が得られ、画面の隅々まで良好なフォーカス性能が得られる。（２）また、この構成は正の第２レンズ群を挟んで両側に負の第１レンズ群と第３レンズ群が対称的に配置されているため、９０度近い広画角でもディストーションを１％以下に押さえることができる。（３）第３レンズ群に、光軸近傍は負の屈折力を持ち周辺部は正の屈折力を持つような非球面形状とすることで、第３レンズ群と第２レンズ群のレンズを小口径化できる。更に光束径を小さくでき見かけ上の物高さを低くでき収差補正が容易になる。（４）本願発明の投写用レンズ装置は、テレセントリックな構成であり、９０度近い広画角でも十分な周辺光量比を確保することが出来る。（５）投写用レンズ装置に、プラスチック非球面レンズを使用しても、レンズを出来るだけ均一な肉厚にすることで、また、局部的な形状により得られる屈折力の温度、湿度変化による変動を複数枚のプラスチック非球面レンズを組み合わせ相殺する構成として温度変化や吸湿に伴う形状と屈折率変化によるフォーカス性能の変動を軽減する。（６）投写用レンズ装置において、レンズと液晶パネルの間を屈折率１.２以上の媒質（冷却液）で光学的に結合させ映像光の反射による損失の軽減と反射によるコントラストの低下を軽減する。（７）液晶パネルとレンズの間に冷却用の液体を充填して液晶パネルや偏光板を冷却する構造なので、液晶パネルと偏光板の温度上昇を低減出来る。さらに、た投写用レンズ装置を適用すれば画面の全領域にわたって明るく、ハイフォーカスな画像が得られ、かつコンパクトな背面投写型ディスプレイ装置が実現できる。また本願発明の単板式の投写光学系を搭載した背面投写型画像ディスプレイ装置では、（１）フォーカス性能の向上（２）コントラスト性能の向上（３）色純度と明るさの両立が実現できる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１及び図２は、後述する本発明に係る光学系が適用される背面投写型画像ディスプレイ装置の全体図を示すものであって、当該背面投写型画像ディスプレイ装置の画像観視方向（画像光出射方向）と水平方向に直交する側から見た断面図である。

図１及び図２において、１１は白色光源や液晶パネルなどを含む光学ユニットであり、該光学ユニット１１から出力された光は、該光学ユニット１１に接続された投写用レンズ１２により拡大される。この投写用レンズ１２からの拡大光は
、折り返しミラー１３によって所定の角度を以って反射され、スクリーン１４に背面から投写される。これにより、スクリーン１４の画像観視側において画像が表示される。上記光学ユニット１１、投写用レンズ１２及び折り返しミラー１３は、キャビネット１５内に収納され、スクリーン１４はキャビネット１５の前面（画像観視側）に配置されている。尚、上述した各種光学系とは、ここでは、光学ユニット１１、投写用レンズ１２、折り返しミラー１３及びスクリーン１４を指し、本発明は、このうち光学ユニット１１、投写用レンズ１２及びスクリーン１４について改良を加えたものである。

尚、図２に示した背面投写型画像ディスプレイ装置は、図１に示したものに比べ、折り返しミラー１３による投写用レンズ１２からの拡大光の反射角度を小さくし、かつ投写距離を短くしてセットの奥行きを短縮したものである。また、図２に示されたセットは、図１に示したものに比べ若干垂直方向の寸法（高さ）が大きくなっている。本発明に係る光学系は、図１及び図２の両方のセットに適用できるものである。

まず、本発明に係る光学系の一実施の形態として、投写用レンズ１２の一具体例について説明する。図５は、本発明の一実施の形態としての投写用レンズ８のレンズ主要部を示す断面図である。図５において、７は液晶パネル、８は光出射側に設けた偏光板、９は冷却液、Ｌ１１は第１１レンズ、Ｌ１０は第１０レンズ、Ｌ９は第９レンズ、Ｌ８は第８レンズ、Ｌ７は第７レンズ、Ｌ６は第６レンズ、Ｌ５は第５レンズ、Ｌ４は第４レンズ、Ｌ３は第３レンズ、Ｌ２は第２レンズ、Ｌ１は第１レンズである。

第１１レンズＬ１１と液晶パネル７は、それぞれＯリングを介してブラケット６に固定され、得られた空間に偏光板８を配置し、冷却液９を封入する。この冷却液９の対流により、入射した光の吸収により発熱した液晶パネルと偏光板の温度を奪いかつ均一化して、ブラケット６に形成された放熱板５によって、外部へ放熱する。液晶パネル７の照明光入射面には反射による光損失を低減するため反射防止コートを施すとよい。（入射側に設ける偏光板は図示せず。）
第１レンズから第４レンズまでは全て負の屈折力を有するレンズであり、第１レンズ群を形成している。第５レンズから第１０レンズまでが第２レンズ群を形成し、投写レンズ装置の全系の正の屈折力を分担している。（ただし、軸上色収差を低減させるために設けた貼り合わせレンズ（第７レンズと第８レンズ）の合成の屈折力は負の値）第１レンズ群から第２レンズ群までを内鏡筒１に組み込み固定ネジ（図示せず）で外鏡筒２へ止めて固定する。さらにこの外鏡筒２を押さえ板４を介してブラケット６へネジ止め（図示せず）固定する。そして物面である液晶パネル上の画像をスクリーン（図示せず）上に拡大投写する構成である。

第３レンズ群の焦点距離の計算には、第１１レンズＬ１１と偏光板８、冷却液９、液晶パネル７を含めて計算している。

図６は、本発明の一実施例としての投写用レンズ装置のレンズの配置を示す構成図で、表１に具体的なレンズデータを示す。図７は本発明の他の実施例としての投写レンズ装置のレンズの配置を示す構成図で表３に具体的なレンズデータを示す。図６から図７に示した投写用レンズ装置のレンズ配置を示した図には、レンズ鏡筒の他の構造部品は説明の都合上省略してある。

本発明の実施例の投写レンズ装置は、１.６インチの液晶パネルに表示された映像をスクリーン上に５０インチに拡大投写した場合に最良の性能が得られるように構成している。投写レンズの半画角は４４.３度で広画角を実現している。このため、図１に示すようなセットの高さを押さえたセットや図２に示すような奥行きを大幅に低減したセットを、折り返しミラー１３が１枚でも実現できる。

本発明にかかる投写用レンズ装置の取り得る具体的なレンズデータを表１から表３に示す。

次に、このレンズデータの読み方を表１を基に図６と対比させて説明しておく
。表１は、主に光軸近傍のレンズ領域を扱う球面系とその外周部についての非球面系とに分けてデータを記載している。まずスクリーンは曲率半径が無限大（即ち平面）であり、スクリーンから第１レンズ群の第１レンズＬ１の面Ｓ１まで光軸上の距離（面間隔）が６５０ｍｍ、その間の媒質の屈折率が１.０であること
が示されている。またレンズ面Ｓ１の曲率半径が−５７.１４ｍｍ（曲率中心が
スクリーン側に存在する時符号は正、即ちこの場合は、曲率中心が液晶パネル側に存在する）であり、レンズ面Ｓ１からレンズ面Ｓ２まで光軸上の距離（面間隔
）が４.５５ｍｍ、その間の媒質の屈折率が１.４９２９１であることが示されている。以下同様にして最後は液晶パネルのＴＦＴが形成されている面Ｓ２５の曲率半径が無限大（即ち平面）で、パネルの厚さが４.１ｍｍ、屈折率が１.４６６２４であることが示されている。

第１レンズ群Ｇ１の第１レンズＬ１のレンズ面Ｓ１、Ｓ２、第２レンズ群Ｇ２の第１０レンズＬ１０のレンズ面Ｓ１８、Ｓ１９、第３レンズ群Ｇ３の第１１レンズＬ１１のレンズ面Ｓ２０については非球面係数が示されている。ここで、非球面係数とは、レンズ形状を次式で表現したときの係数である。

ただし、Ｚ（ｒ）はレンズ形状の定義を説明する図８に見られる如く映像発生源からスクリーンに向かう光軸方向をＺ軸にとり、レンズの半径方向をｒ軸にとった時のレンズ面の高さを表している。ｒは半径方向の距離、ＲＤは曲率半径、を示している。従って、ＣＣ、ＡＥ、ＡＦ、ＡＧ、ＡＨ等の各係数が与えられれば上記式に従ってレンズ面の高さ、つまりレンズ形状が定まる。

以上が表１に示したデータの読み方である。表２から表３までは他の実施例に対応したデータを示している。表４は表１から表３に示した本願発明の投写用レンズ装置を構成するレンズエレメントの焦点距離とアッベ数を纏めて示す。

次に本発明の投写用レンズ装置の各レンズ群の作用を説明する。

本発明の投写用レンズ装置は、図５、図６、図７に示すように、第１レンズ群が負の屈折力を、第２群が正の屈折力を、第３群が負の屈折力を持つ構成である
。

このため、本発明の実施例では、ほぼ９０度の広画角でも平坦な像面が得られ
、画面の隅々まで良好なフォーカス性能が得られる。また、正屈折力を持つ第２レンズ群を挟んで両側に負の第１レンズ群と第３レンズ群を対称的に配置しているので、レンズ構成上ディストーションの低減にも有利である。本発明の実施例では、ディストーションは０．５％以下となっている。

本発明の投写レンズ装置は、第１レンズ群を成す第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３は全てスクリーン側に凸面を向けた負メニスカスレンズとすることで収差の発生を押さえながら像面湾曲を補正している。特に軸上物点Ｐ０からの光束と、画面最外周部の物点Ｐ１からの光束が全く別の部分を通過する第１レンズＬ１をプラスチック非球面レンズとして、軸上の収差に影響をほとんど与えること無く、コマ収差や非点収差をより高精度に補正をしている。また、出来るだけ均一な肉厚のレンズ形状とすることでプラスチックレンズ特有の温度変化や吸湿に伴う形状と屈折率変化による屈折力の変動を軽減する設計としている。さらに、軸上物点Ｐ０からの光束が最も広がる場所に近接して配置した第４レンズＬ４は球面収差の補正と像面湾曲及びコマ収差の補正を一部分担している
。

第２レンズ群は、投写レンズ装置全系の正屈折力の全てを分担している。このなかで、第５レンズＬ５はアッベ数３０以下の高分散材料から成り正の屈折力を有し、第６レンズＬ６もアッベ数４５以下の高分散材料から成り正の屈折力を有する。両レンズとも屈折率１.８以上の高屈折材料で正の屈折力の分担するとと
もに、色消し条件を満足させかつ、それぞれを通過する光線高さと第１レンズ群に入射する光線高さを制御することで倍率の色収差を低減している。

第７レンズＬ７はアッベ数２５以下の高分散材料を使用し、第８レンズＬ８にはアッベ数５０以上の低分散材料を使用することで、主に軸上色収差を低減している。

第９レンズＬ９はアッベ数６０.３の低分散材料から成る両凸のレンズで全系の正の屈折力の一部を分担している。

第１０レンズＬ１０はプラスチック製レンズで全系の正の屈折力の一部を分担しており、第１レンズＬ１と同様に、軸上物点Ｐ０からの光束と、画面最外周部の物点Ｐ１からの光束が全く別の部分を通過する位置に配置し、レンズ面Ｓ１８
、及びＳ１９を非球面形状としている。このため、軸上の収差補正と、軸外の高次のコマ収差や非点収差の補正を両立している。

第３レンズ群Ｇ３の第１１レンズＬ１１はプラスチック製レンズで、レンズ面Ｓ２０も光軸近傍は負の屈折力（発散作用）を持ち周辺部は正の屈折力（集光作用）を持つような非球面形状を成している。本発明の実施例では液晶パネルと第１１レンズＬ１１の間に屈折率１.４４６７１の冷却液を充填し、液晶パネルや
偏光板を冷却するとともに、映像光の反射による損失を軽減して、高コントラストな画像が得られるようにしている。第３レンズ群Ｇ３の屈折力は上記した冷却液、液晶パネル、偏光板を含めて計算評価している。

本発明の投写レンズ装置は第３レンズ群に、光軸近傍は負の屈折力（発散作用
）、周辺部は正の屈折力（集光作用）を持つような非球面形状とすることで、第
３レンズ群と第２レンズ群のレンズ口径を小さくし、製造コストを低く抑えかつ前述した３群基本構成の長所を生かしている。また第２レンズ群に、光軸近傍は正の屈折力（集光作用）、周辺部は負またはほとんど屈折力の無い（発散作用ま
たは発散作用のほとんど無い）非球面レンズを配置しているので、上述した第３レンズ群の非球面レンズと組み合わせて、液晶パネルからの光束を半径方向に圧縮できるビームエクスパンダー（光束の幅を変換する）光学系の作用を持たすことが出来る。このため実効的な物高さ（パネル中心からコーナーに向かう距離）を低く出来るので倍率色収差を含め収差補正が容易になる。

非球面レンズとしては、量産数量が確保できれば安価なプラスチックレンズがを採用している。本発明では、第１１レンズＬ１１と第１０レンズＬ１０のプラスチック非球面レンズとし、それぞれの局部的な形状の組み合わせにより、屈折力の温度、湿度変化による変動を相殺する構成としている。以下にこの技術について詳解する。

図６の、本発明の第１の実施例において第１１レンズＬ１１と第１０レンズＬ１０に光軸ｌ，ｌ´に平行な光束を入射させた場合、第１１レンズ１１の光軸ｌ
，ｌ´近傍は発散（凹レンズ）作用が、周辺部では集光（凸レンズ）作用がある
。一方、第１０レンズＬ１０の光軸ｌ，ｌ´近傍は集光（凸レンズ）作用があり
、逆に周辺部では、発散（凹レンズ）作用がある。すなわち、プラスチック非球面レンズである第１１レンズＬ１１と第１０レンズＬ１０において、軸上物点Ｐ０からの光束が通過する光軸近傍の領域では、第１１レンズＬ１１において発散（凹レンズ）作用と第１０レンズＬ１０においては集光（凸レンズ）作用がある
。一方、画面最外周部の物点Ｐ１からの光束が通過する周辺部では反対に、第１１レンズＬ１１においては集光（凸レンズ）作用と、第１０レンズＬ１０において、発散（凹レンズ）作用がある。

このため、温度変化や吸湿に伴う形状と屈折率の変化によって屈折力が変動しても相殺し合うので焦点位置の変化やフォーカス性能が低下するという問題点を解決できる。

本発明の投写レンズ装置において第１レンズＬ１と第１０レンズＬ１０と第１１レンズＬ１１は、軸上物点Ｐ０からの光束と、画面最外周部の物点Ｐ１からの光束が全く別の部分を通過するため、これらのレンズを非球面形状として、軸上の収差補正と軸外の高次のコマ収差や非点収差の補正を両立している。

また、レンズ図５から図７に示したように、画面最外周部の物点Ｐ１からの光束が通過する第１１レンズＬ１１のレンズ形状が、単純な凹レンズでなく周辺部が集光（凸レンズ）作用を持つ非球面形状であるため、光束が広がらず、スクリーン側に配置された第１０レンズＬ１０の以降のレンズ径を小さく出来るのでコスト低減に有利になるばかりでなく、倍率色収差やその他の収差補正にも有利となる。

次に、第１１レンズＬ１１の冷却液に接触するレンズ面Ｓ２１の取り得る形状について、図６、図７によって説明する。

プラスチック非球面レンズである第１１レンズＬ１１のスクリーン側レンズ面Ｓ２０は上述したような非球面形状である。一方、冷却液に接触するレンズ面Ｓ２１が、例えば曲率中心がスクリーン側に存在する球面形状とすると、レンズのコバ部分が薄肉になりすぎるため成形時の樹脂の流れが悪くなり所望の形状が得られない。反対にコバ厚を十分に確保しようとすると、レンズの中心肉厚が増加し、樹脂の使用量が増えるばかりで無く、成形時間が長くなり製造コストが大幅に増加する。このため、冷却液に接触するレンズ面Ｓ２１の形状は、平面もしくは、液晶パネル側に曲率中心が存在する形状とすると、コバ厚とレンズ中心厚の差が少ないより均一な肉厚のレンズとなり、上述した成形上の問題点が解決できる。

次に、以上説明した本発明にかかる投写用レンズ装置をもちいて１.６インチ
の単板液晶パネルに画像を表示し、スクリーン上に５０インチに拡大投写した場合に発生する収差を図１０〜図１８に示す。

ここで図１０〜図１２は表１に対応した特性図で、図１０は軸上の収差図を示す特性図でＢは４５０ｎｍの光線により発生する収差を、Ｇは５５５ｎｍの光線により発生する収差を、Ｒは６５０ｎｍの光線により発生する収差を示している
。図１１は４０％像高での収差図を、図１２は８０％像高での収差図を示している。

同様に、図１３〜図１５は表２に対応した特性図、図１６〜図１８は表３に対応した特性図を示している。表１及び表２に示した実施例では、それぞれ図１０
、図１３に示すように、軸上の収差の内、緑色（５５５ｎｍ）光束と赤色（６５０ｎｍ）光束により発生する収差については良好に補正されている。が青色（４５０ｎｍ）光束では最大１．７ｍｍの収差が発生する。

本願発明の照明系はダイクロイックミラーによって白色光束を赤、青、緑の順に三原色の光束に分離し、それぞれの光束を異なる角度で同一の液晶パネルに入射させる構成となっている。このため、図１９、図２０に示すように液晶パネルにより変調された三原色の光束が投写用レンズ装置の入射瞳を通過する時、液晶パネルの画面水平方向に分かれて通過する。そこで、入射瞳の周辺を通過すると発生する収差が最も大きい青色光束が入射瞳の中心を通過するように、ダイクロイックミラーによって白色光束を色分離する。さらに、図１１、図１２及び図１４、図１５に示すように赤色光束によって発生する収差の向き（正符号）を倍率
色収差（緑色光束と赤色光速束の結像位置のずれで表し、通常は負符号）をキャンセルする方向に補正すると良い。以上が表１、表２に示した本願発明の実施例を基に照明光学系を含めて、フォーカス性能を向上させる具体例である。比較のため表３に示した本願発明の実施例では、図１６に示すように軸上の収差については、、緑色光束と赤色光束、青色光束全てにおいて発生する収差が良好に補正
されている。一方、軸外については図１７、図１８に示すように赤色光束によって発生する収差が一旦負符号を持ち（特に８０％像幸高）倍率色収差（緑色光束と赤色光速束の結像位置のずれで表し、通常は負符号）と重なってスクリーン上の像が色ごと大きくずれ、観た目のフォーカス性能が著しく低下する。

表１表２に示された投写用レンズ装置と表３に示された投写用レンズ装置の違いは、第５、第６レンズの焦点距離と分散及び、第７、第８レンズの合成焦点距離に基ずき、
Ｐ７８／Ｐ０＜ −０．２
０．４＞ Ｐ６／Ｐ０
νｄ６＞３７．３
但し、 Ｐ７８：第７、第８レンズの合成焦点距離の逆数（屈折力）、
Ｐ０：投写用レンズ全系の合成焦点距離の逆数（屈折力）、
Ｐ６：第６レンズの合成焦点距離の逆数（屈折力）、
νｄ６：第６レンズのアッベ数
である。

一方、本願発明の投写用レンズ装置は、画角が９０度近い超広角であるにも拘わらず０.５％と実用上問題の無いレベルにある。

また、本発明にかかる投写用レンズ装置の明るさを示すＦナンバーは、１．５程度と、従来技術による画角９０度を超える超広角の投写用レンズ装置Ｆナンバー２.４から４.５に比べ非常に小さく、十分な明るさが確保出来る。

また、スクリーン全面においてハイフォーカスを実現し、明るい画像を得るために本発明の投写レンズ装置はスクリーン中心で結像する光線束とスクリーン最外周部で結像する光線束が重ならない位置に非球面レンズを設けている。

さらに、本願発明の３群構成の投写レンズ装置は光軸上の射出瞳サイズより画面周辺で結像する光束が通過する射出瞳サイズの方が大きくなるため、さらに光束の主光線が投写レンズ装置の光軸にほぼ平行になるテレセントリックな構成のため十分な周辺光量比を確保することが出来る。画角が９０度近い超広角であるにも拘わらず、液晶パネルの各位置から入射する光束の主光線が投写レンズ装置の光軸にほぼ平行となるテレセントリックな構成とすることで画面最外周部（１００％コーナー）で５０％以上と実用上問題の無いレベルにある。

本発明の実施例では、前述したように、投写用レンズ装置全系の正屈折力を全て第２レンズ群に集め、そのスクリーン側と液晶パネル側に負の屈折力を有するレンズ群を配置している。

次に、第１レンズ群Ｇ１を構成する４枚のレンズは、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３が、前述したように、全てスクリーン側に凸面を向けた負メニスカスレンズで、収差の発生を押さえながら像面湾曲を補正している。

また、本発明の投写用レンズ装置において、投写距離を変えてスクリーン上に拡大投影する映像の倍率を変化させた場合のフォーカス調整は、図５に示すように、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の間隔を変えることで実現出来る。この時、発生する像面湾曲と倍率色収差の変化は、第４レンズＬ４を光軸に沿って移動させることで吸収できる。
図５に示す投写レンズ装置の外鏡筒２に、図９に示すような液晶パネルにより変調された光束のうち結像に関与する光束を通過し、結像に関与しない光束を吸収遮光する円形以外の形状を有する開口孔９−１を設ける。さらにこの光束入射面であるＬ１１側面９−３に凹凸の光吸収構造９−４を設ける。この形状はヘアーライン状の筋もしくはシボ加工、マット面等にして反射光線は液晶パネル側に戻るのを防ぐ構成としても良い。この結果、結像に関与しない光束がスクリーン上に到達しないのでコントラスト性能が向上する。

次に、本発明の実施例に示した投写用レンズ装置における３枚のプラスチック非球面レンズのうち、第１レンズＬ１は、レンズの屈折力を出来るだけ小さくし
、さらに、均一な肉厚のレンズ形状とすることでプラスチックレンズ特有の温度変化や吸湿に伴う形状と屈折率変化による屈折力の変動を軽減する設計としている。

また、第１０レンズＬ１０と第１１レンズＬ１１は、レンズの屈折力の絶対値をほぼ等しくして、それぞれのレンズにより生じる温度変化や吸湿に伴う形状と屈折率変化による屈折力の変動を相殺する設計としている。

第７レンズは高分散材料から成る両凹レンズで両凸レンズである第８レンズエレメントと貼り合わせて主に軸上色収差の補正を行っている。

以上、本発明の実施例としての投写用レンズ装置のレンズデータを基に、その特徴を述べた。

本実施例においては、１０次の非球面係数ＡＨまで使用した非球面について述べたが、この他に１２次以上の高次の係数が含まれている場合の構成についても
、本発明に含まれることは言うまでもない。

ところで、液晶パネルと偏光板は、温度が上昇する（例えば７０℃）と、その偏光特性、特に偏光度（偏光板の偏光面に対して０°と９０°の角度をなす光の
、偏光板を通過したときの光の量の比率）が低下する性質を持っている。よって
、温度が上昇すると画面のコントラスト性能が低下する。これを防止すべく、本発明では、液晶パネルと偏光板とを冷却用の液体により冷却する。このようにすれば、空気を用いて強制的に冷却する方式に比べ、液晶パネルと偏光板の温度を約７℃〜１０℃低下させることができるので、ディスプレイ装置のコントラスト性能を約１０％程向上させることができる。

また、液晶パネル及び偏光板は、高温下（例えば最大７０℃）で使用し続けると、コントラスト性能が低下する。しかしながら、液晶パネル及び偏光板を冷却液中で使用すれば、例えば、その使用温度が１０℃低下した場合、それらの寿命を約１．５もしくは２倍ほど延ばすことができる。

図５に示したように、偏光板８を冷却液９内に配置して冷却するためには、偏光板８は、一対のガラス板でサンドウィッチし、周辺部の全てを覆うように（外部から冷却液が侵入しないように）、例えばシリコンのような粘着性を有するも
のをその材料とするリング状のシール部材によりシールして密封すると良い。

通常、冷却液９は、エチレン・グリコール、デシレン・グリコール、グリセリン、もしくはそれらの混合液等の有機溶剤が使用されおり、樹脂を延伸して形成した偏光板８を直接冷却液に浸すと偏光板を溶解させる恐れがある。従って、本実施例では、偏光板８を一対のガラス板の間に配置することにより、偏光板８が冷却液９に直接的に接触しないように保護する構成としている。

次に明るさを向上させるため、本願発明の実施例では、上述した投写用レンズ装置を採用する他に、第２の手段として透過型スクリーンに入射する光束をｐ偏光として投写用レンズ装置を構成するレンズエレメントとスクリーンでの反射損失を低減する。この結果、レンズエレメント間での多重反射が低減され、投影像のコントラストも向上する。一方、スクリーンにおいても多重反射（特にフレネルレンズ面）が低減でき、投影像のコントラストが大幅に向上する。

明るさ向上の第３の手法として、図３に示すように白色光源からの白色光束を三原色の光束に分離し、かつそれぞれの光束を異なる角度で液晶パネルに入射させるダイクロイックミラーとして、白色光源Ｌａ１側から順に、シアン（青と緑
）透過のダイクロイックミラーＤＭ３と、黄色（緑と赤）透過のダイクロイックミラーＤＭ２と、赤透過のダイクロイックミラーＤＭ１とを組み合わせる。尚、図３中のマイクロレンズアレイＭＬＢの光出射側に配置されたＦＬ１、及びダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２，ＤＭ３の光出射側に配置されたＦＬ２は、マルチレンズアレイＭＬＡ、ＭＬＢからの光束を略平行にするためのフィールドレンズである。

このとき、それぞれのダイクロイックミラーの反射率が５０％以上となる波長Ｔ５０％を明るさと色純度を考慮して最適値とする。白色光源Ｌａ１としては、超高圧水銀ランプ（例えば、フィリップス社製：ＵＨＰランプ）など発光効率の優れたものが上市されている。しかしながら、このランプは水銀ランプを基にしているため図２３に示すように、青色光の波長領域側に比べて赤色光の波長領域の発光エネルギーが弱く、セットの赤色純度と明るさの両立が難しい。そこで本発明者らは、図２３に示す発光エネルギー分布を有する超高圧水銀ランプを使用して照明光学系を試作した。超高圧水銀ランプからＰＢＳの間には、図２４に示す分光透過率特性を有するフィルターＦ１を設け、紫外線と赤外線をカットした
。更に、この時用いたダイクロミラーの特性として、白色光源側から順に図２７に示す分光透過率特性を有するシアン（青と緑）透過のダイクロイックミラーＤＭ１と図２６に示す分光透過率を有する黄色（緑と赤）透過のダイクロイックミラーＤＭ２と図２５に示す分光透過率を有する赤透過のダイクロイックミラーＤＭ３とを組み合わせ、透過率特性が急峻に変化する部分の傾きを、ＤＭ１が６．４％／ｎｍ、ＤＭ２が６．８％／ｎｍ、ＤＭ３が６．８％／ｎｍ以上とし、かつそれぞれのダイクロイックミラーの反射率が５０％以上Ｔ５０％となる波長が次の条件を満足させることで明るさと色純度が両立された投写用光学装置を実現できることを確認した。但し、λＤＭ１はシアン（青と緑）透過のダイクロイックミラーＤＭ１の反射率が５０％以上Ｔ５０％となる波長、λＤＭ２は黄色（緑と赤）透過のダイクロイックミラーＤＭ２の反射率が５０％以上Ｔ５０％となる波長、λＤＭ３は赤透過のダイクロイックミラーＤＭ３の反射率が５０％以上Ｔ５０％となる波長を示している。
λＤＭ１ ≧ ５８５
λＤＭ２ ≦ ５２０
λＤＭ３ ≧ ５８０
また明るさ向上のための第４の手法として、図３に示す白色光源Ｌａ１から表液晶パネル７までの間に、偏光ビームスプリッタＰＢＳを配置し偏光合成することで所望の偏光成分のみを約５０％増やすことができる。この時、ｐ偏波成分のみを取り出すことで複数のレンズ素子から成り一対のマルチレンズアレイＭＬＡ
、ＭＬＢでの反射損失を低減できる。マルチレンズアレイの一実施例を図３８に示す。３８１は保持枠で基準平面を有し、光学装置筐体に高精度に取り付けが可能となる。また、３８２はマイクロレンズアレイを構成するレンズ素子である。

マイクロレンズアレイにｐ偏光を入射させるとｓ偏波入射と比べて一面当たり反射率が約３％低減できる。更に、前述のダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２
、ＤＭ３と反射ミラーＭ１、Ｍ２を偏光ビームスプリッタＰＢＳに対して光学的に垂直になるように配置し偏光成分がｓ偏光となるようにする。これにより光路折り返しミラーの反射率が大きくなるので明るさが向上する。

更に、明るさ向上のための第５の手法としては、白色光源Ｌａ１に近い第１のマルチレンズアレイＭＬＡに設けた個々のレンズにより分割された光束は液晶パネル側に位置する第２のマルチレンズアレイＭＬＢの対向するレンズにより拡大され液晶パネル７に投影されるが、この時、白色光源の分光エネルギー分布が弱い順（赤、青、緑）に分離する。この結果、第２のマルチレンズアレイＭＬＢから液晶パネル７までの光路は赤色光束が最も短くなるので投影倍率が小さくなり
、収差によるボケが少なく赤色光束のエネルギー密度を大きくできる。

一方、図２８に示すように青色光束は比視感度が低いことと、投写用レンズ装置の青色光束の透過率が低いこと。更には、白色光源から出る紫外線を反射するフィルターＦ１を光路中に設けるので、有効に使用できる青色光束のエネルギーが小さくなる。そこで、図１９、図２０に示すように、前述したように投写用レンズ装置の入射瞳の中央を青色光束が通過し液晶パネルの中央のＴＦＴ開口部を通過するように、赤色に次いで色分離を行う。この結果、スクリーン上で３色加色した場合に得られる白色光の明るさ並びに各３原色の明るさを最大にできる。

尚、図１９の構成は画素がインライン配列されているのに対し、図２０の構成ではデルタ配列の実施例である。

一方、紫外線は投写用光学装置の筐体である合成樹脂を劣化させる。このため
、直接白色光が筐体に入射しないように金属製の絞り３１を設け保護すると良い
。

更に、本発明の実施例においてコントラスト性能を向上させるための第１の手法として、本発明に係る投写型画像ディスプレイ装置は、図５に示すように液晶パネル７と偏光板８（入射側偏光板は図示せず）とを有し、液晶パネル７と投写用レンズ装置の最も液晶パネル側に近いレンズエレメントＬ１１との間に形成された空間内に、冷却用液体を充填する。液晶パネルとその前面に配置された偏光板は、温度が高くなる（７０℃程度）と熱の影響により偏光特性が低下してコントラスト性能が低下する場合がある。上記本発明の構成では、液晶パネル及び偏光板を液体（冷媒）によりに冷却するので、空冷式のものに比べ、効率良く両者を冷却することができる。このため、温度上昇の影響により生じる偏光特性の劣化に伴うコントラスト性能の低下を防止して高画質の映像を得ることができる。

また、上記冷却用液体は表１から表３に示すように、波長５８７.６（ｎｍ）
の光に対する屈折率が１.２以上の媒質にすれば、映像光の反射が軽減されるの
で更なる高コントラスト化が可能となる。

また、第２の手法は、前述したように投写レンズ装置のレンズ鏡筒に、液晶パネルにより変調された光束のうち結像に関与する光束を通過し、結像に関与しない光束を吸収遮光する形状を有する開口孔を設けることで結像に関与しない光束がスクリーン上に到達しないのでコントラスト性能が向上する。

更に、第３の手法としては、図３１から図３６に示した透過型スクリーンに白色光源Ｌａ１の発光スペクトル（図２３のランプの発光エネルギーと図２８から図３０に示した比視感度の積）が最も強い緑色光を吸収するフィルター特性を備えてより成る。本発明者らは、図３７に示す吸収特性を持つ透過型スクリーンを試作してコントラスト性能の確認を行った。５５５ｎｍ近傍の吸収を１１％増加させることでコントラスト性能が６％向上した。透過型スクリーンの形態としては、図３１及び図３２に示されたように、レンチキュラーシート２７ｂ、２８ｂとフレネルレンズシート２７ａ、２８ａの２枚構成のものと図３３及び図３４に示すレンチキュラーシート２７ｂ、２８ｂとフレネルレンズシート２７ａ、２８ａと波長選択性フィルター２９ｃ、３０ｃの３枚構成のものがある。それぞれの構成において映像観視側に最も近い位置に配置した構成部品に波長選択性フィルターを設けることがコントラスト性能の改善に最も効果が大きい。

他の実施例としては、図３５に示すように映像光束出射面にフレネルレンズを設けたフレネルレンズシート２８ａ（映像光束入射面は画面水平方向を長手方向としたレンチキュラーレンズを画面垂直方向に並べた形状として図示）と、第１の構成要素としてスクリーン画面垂直方向を長手方向としたレンチキュラーレンズを画面水平方向に連続して配置した形状を成し、それぞれのレンチキュラーレンズの焦点近傍には映像光束が通過するための光透過窓３１６が設けてある。さらに隣りあった光通過窓の間には光吸収層３１３を設け外光の影響によるコントラストの低下を防止している。第１の構成要素の光軸方向の厚さはレンズ形状が楕円の場合にはレンズピッチの１．５倍程度であり仮に非球面を用いて焦点位置をずらしても５倍程度である。このため、レンズピッチを細かくすると厚さも薄くなり機械的な強度が低下する。そこで、本願発明においては、第２の構成要素（コスト面から熱可塑性樹脂を用いるのが一般的）に前記第１の構成要素を接着または、粘着する。本発明者らは、この第２の構成要素に染料または顔料を混入し図３７に示す吸収特性を持つ透過型スクリーンを試作してコントラスト性能の確認を行った。５５５ｎｍ近傍の吸収を１２％増加させることでコントラスト性能が６％向上した。また、この第２の構成要素の映像観視側表面に反射防止膜３１１を設けると外光がスクリーンに入射した場合のコントラスト性能低下が大幅に改善できる。図３６は図３５に示した透過型スクリーンの観視側に波長選択性フィルター３２１を設け３枚構成としたものである。

以上述べた波長選択性フィルターを設けた透過型スクリーンを用いることで、外光がスクリーン面に入射しても、得られる画像のコントラスト性能が低下し難くなる。

最後に、本願発明の実施例において、色純度を改善するための第１の手法は、前述のダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２，ＤＭ３を、偏光ビームスプリッタＰＢＳに対して光学的に直交する位置に配置することで、ダイクロイックミラーにとってｓ偏光とすることで実現できる。

白色光源側から順に図２７に示す分光透過率特性を有するシアン（青と緑）透過のダイクロイックミラーＤＭ１と図２６に示す分光透過率を有する黄色（緑と赤）透過のダイクロイックミラーＤＭ２と図２５に示す分光透過率を有する赤透過のダイクロイックミラーＤＭ３とを組み合わせ、透過率特性が急峻に変化する部分の傾きを、ＤＭ１が６．４％／ｎｍ、ＤＭ２が６．８％／ｎｍ、ＤＭ３が６
．８％／ｎｍ以上となり、かつダイクロイックミラーの分光透過率特性の立ち上がり部分の傾きを急峻に成り色純度が向上する。

また、それぞれのダイクロイックミラーは図２１に示すように近接して配置されているため、たとえば、図２７に示す分光透過率特性を有するシアン（青と緑
）透過のダイクロイックミラーＤＭ１の短波長領域（５６０ｎｍ以下の波長領域
）の透過率が２％程度低下するとＤＭ１において赤色成分の他に緑色と青色成分が反射し、混色が発生して色純度が低下する。さらに、 ＤＭ２にも同様の透過
率低下が生じる図２１の反射光Ｄと反射光Ｅが発生し図２２に示すように、正規のＴＦＴ開口部以外に反射光が入射して色純度が低下する。

筆者らの検討ではこの透過率低下は１％程度なら実用上問題のないレベルとなるが、０．５％以内とすればさらに優れた色純度が得られる。

また、第２の手法として、図４に示すように、白色光源Ｌａ１に近い第１のマルチレンズアレイＭＬＡに設けた個々のレンズにより分割された光束は、液晶パネル側に位置する第２のマルチレンズアレイＭＬＢの対向するレンズにより拡大され液晶パネルに投影される。この時、白色光源Ｌａ１の分光エネルギー分布（
図２３のランプの発光エネルギーと図２８から図３０に示した比視感度の積）が弱い順（赤、青、緑）に分離する。この結果、第２のマルチレンズアレイＭＬＢから液晶パネル７までの光路は赤色光束が最も短くなるので投影倍率が小さくなり、赤色光束のエネルギー密度が大きくなり色純度も向上する。さらに、図２２に示すように、液晶パネルのマイクロレンズアレイに入射する際に比視感度が最も高く光源の発光スペクトルも強い緑色光束（ＤＭ３の反射光）と同一マイクロレンズアレイ２０８内で隣接していないため、この一部がマイクロレンズ相互の繋ぎ部分で発散し、光源の発光スペクトルの最も弱い赤色光束（ＤＭ１の反射光
）に混色し難くなるため色純度が向上する。

さらに、図４に示すごとく白色光源に近い第１のマルチレンズアレイＭＬＡに設けた個々のレンズの繋ぎ部分の面精度不良により、分割された光束は液晶パネル側に位置する第２のマルチレンズアレイＭＬＢの対向するレンズに全て入射せず、一部は隣あったレンズに入射する。（図４参照）この結果、拡大された光束
は液晶パネルに正規の角度で入射せず混色を起こす原因となる。このとき、ダイクロミラーに異なった角度で入射して波長シフトを起こし色純度が低下する。そこで、第３の手法として、またこの異常光が投写光学装置の側面や上下面に入射しても異常光のエネルギーが減衰するように投写光学装置の側面や上下面に鋸型突起４１ａ、４１ｂ、４４ａ、４４ｂやシボ加工またはマット処理等を施し反射率を低減させる。さらに、異常光が通過しないように開口絞り４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４５ａ、４５ｂを光路中に設け、不要な光束を遮光吸収することでダイクロイックミラーに入射する異常光束を低減し、色純度の低下を押さえる。

更に第５の手法として、透過型スクリーンに白色光源の発光スペクトルが最も強い緑色光を吸収するフィルター特性を備える。これにより、赤色光と青色光に混色した発光スペクトルが最も強い緑色光を減衰させることで残りの色光の色純度を向上させる。実際に図３５に示す構成の透過型スクリーンの第２の構成要素に顔料を混入し図３７に示す吸収特性を持つ透過型スクリーンを試作して色純度向上の確認を行った。５５５ｎｍ近傍の吸収を１２％増加させることで赤色に混色していた緑色光のエネルギーが減衰し、赤色光の色度（ｘ＝０．５６５、ｙ＝０．３６５）が（ｘ＝０．５８１、ｙ＝０．３７１）に改善された。

本発明に係る投写光学系が適用される背面投写型画像ディスプレイ装置の主要部を示す垂直方向断面図 本発明に係る投写光学系が適用される背面投写型画像ディスプレイ装置の主要部を示す垂直方向断面図 本発明の光学系の主要部を示す構成図 本発明の光学系の主要部を示す構成図 本発明の投写用レンズ装置の配置を示す断面図 本発明の投写用レンズ装置の配置を示す断面図 本発明の投写用レンズ装置の配置を示す断面図 レンズ形状の定義を説明するために用いる説明図 本発明の投写用レンズ装置の鏡筒に設けた開口部を示す説明図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写用レンズ装置において発生する収差を示す特性図 本発明の投写レンズの瞳位置での光線のケラレを示す図 本発明の投写レンズの瞳位置での光線のケラレを示す図 単板式の液晶パネルを用いた投写光学系の要部断面図 液晶パネルの主要部断面図 本発明の実施に用いている超高圧水銀ランプの波長に対するスペクトルの分布図 本発明の光学系に用いたフィルターの分光透過率を示す特性図 本発明の光学系に用いたフィルターの分光透過率を示す特性図 本発明の光学系に用いたフィルターの分光透過率を示す特性図 本発明の光学系に用いたフィルターの分光透過率を示す特性図 肉眼の比視感度特性（２度視野、１０度視野） ２度視野でのスペクトル三刺激値 １０度視野でのスペクトル三刺激値 透過型スクリーンの一例の要部を示す斜視図 透過型スクリーンの一例の要部を示す斜視図 透過型スクリーンの一例の要部を示す斜視図 透過型スクリーンの一例の要部を示す斜視図 透過型スクリーンの一例の要部を示す斜視図 透過型スクリーンの一例の要部を示す斜視図 本発明の投写光学系を搭載した背面投写型画像ディスプレイ装置に用いる透過型スクリーンに設けのフィルターの分光透過率を示す特性図 マルチレンズアレイの一実施例を示す図

符号の説明

１…内鏡筒、２…外鏡筒、９−１…開口部、９−２…外鏡筒固定脚、９−３…遮光部、９−４…光吸収構造、３…取り付けネジ、４…押さえ板、５…放熱板、６…ブラケット、７…液晶パネル、８、８ａ、８ｂ…偏光板（１／２波長板含む）、９…冷却液、１０…入射側保護パネル、１１…光学ユニット、１２…投写用レンズ装置、１３…折り返しミラー、１４…スクリーン、１５…キャビネット、２０…スクリーン、２１…投写用レンズ装置、２２…液晶パネル、ＤＭ１、ＤＭ２、ＤＭ３…ダイクロイックミラー、ＦＬ１、ＦＬ２…フィールドレンズ、ＭＬＡ…マルチレンズＡ、 ＭＬＢ…マルチレンズＢ、Ｌａ１…白色光源、Ｍ１，Ｍ２…反射ミラー、３１…絞り、ＰＢＳ…偏光ビームスプリッタ、Ｆ１…フィルター、４１ａ、４１ｂ…鋸型突起、４２ａ、４２ｂ…開口絞り、４３ａ、４３ｂ…開口絞り、４４ａ、４４ｂ…鋸型突起、４５ａ、４５ｂ…開口絞り、１７１、１８１「…投写レンズ、１７２、１８２…投写レンズの瞳、１７３、１８３…ＴＦＴ開口部、１７４、１８４…ＴＦＴ開口部、１７５、１８５…ＴＦＴ開口部、２０１… ＴＦＴ開口部、２０２… ＴＦＴ開口部、２０３… ＴＦＴ開口部、２０４…ガラス基板、２０５…液晶層、２０６…走査電極、２０７…ガラス基板、２０８…マイクロレンズアレイ、２７１、２８１…突起部、２７２、２８２…レンチキュラーレンズ（出射面）、２７３、２８３…光吸収層、２７４、２８４…拡散材、２７５、２８５…レンチキュラーレンズ（入射面）、２７６、２８６…フレネルレンズ、２７７、２８７…フレネルレンズシートの入射面、２８８…レンチキュラーレンズ、２７ａ、２８ａ…フレネルレンズシート、２７ｂ、２８ｂ…レンチキュラーレンズシート、２７ｃ、２８ｃ、２９ｄ、３０ｄ…透過型スクリーン、２９ｃ、３０ｃ…波長選択性フィルター、３１１…反射防止膜、３１２…第２の構成要素、３１３…光吸収層、３１４…第１の構成要素、３１５…レンチキュラーレンズ（入射面）、３１６…光通過窓、３１７…前面板、３１ｄ、３２ｄ…透過型スクリーン、３２１…波長選択性フィルター、３８１…保持枠、３８２…レンズ素子。

Claims (1)

1. 白色光源からの表示素子までの間に、白色光束を偏光合成し所望の偏波成分のみを取り
   出す偏光ビームスプリッタと複数のレンズ素子から成るマルチレンズアレイと該白色光源
   からの白色光束を赤、緑、青の三原色の光束に分離し、かつそれぞれの光束を異なる角度
   で同一の表示素子に照射する手段を具備して成る照明光学系と、
   該表示素子により変調された前記赤、青、緑の三原色の光束を、スクリーンに投影する
   投影手段として、複数のレンズエレメントから成る投写レンズ装置を備え、
   前記表示素子は液晶パネルであり偏光板とを合せて備え、前記液晶パネルと前記投写レ
   ンズ装置を構成するレンズエレメントの中で最も液晶パネルに近いレンズエレメントとの
   間に形成された空間内に、冷却用液体を充填したことを特徴とする投写用光学装置。
   

Images