JP2651020B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はライトバルブに形成される光学像を照明光で
照射するとともに投写レンズによりスクリーン上に投写
する投写型表示装置に関するものである。

従来の技術 大画面の映像表示を行うために、比較的小さなライト
バルブに光学的特性の変化として映像信号に応じた光学
像を形成し、この光学像を照明光で照射するとともに投
写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来
よりよく知られている。この種の投写型表示装置は、投
写画像の解像度がライトバルブの解像度でほぼ決まり、
光源を強くすれば光出力が大きくなるので、高解像度の
ライトバルブを用いればその表示面積が小さくても高解
像度で光出力の大きい投写型表示装置を実現することが
できる。また、最近では、ライトバルブとして液晶パネ
ルを用いる方法が注目されている。（例えば、SID86ダ
イジェスト第375ページ）。このような投写型表示装置
の従来の構成の一例を第５図に示す。

ランプ１は赤、緑、青の色成分を含む光を放射し、ラ
ンプ１から放射される光は集光レンズ２と凹面鏡３とに
より平行に近い光に変換され、熱線吸収フィルタ４を透
過した後、色分解手段５に入射する。色分解手段５は平
板型の赤反射ダイクロイックミラー６と２分割された平
板型の青反射ダイクロイックミラー７、８とをＸ字状に
交差させて配置したものである。色分解手段５を出た赤
の光は面ミラー９、10を介して、緑の光は直進して、青
の光は平面ミラー11、12を介して、それぞれ対応する液
晶パネル13、14、15に入射する。液晶パネル13、14、15
にはそれぞれ映像信号に応じて透過率の変化として光学
像が形成される。液晶パネル13、14、15からの出力光は
光合成手段16により１つに合成されて実質的に緑の液晶
パネル14の位置にカラー画像が形成される。このカラー
画像はテレセントリックの投写レンズ17によりスクリー
ン（図示せず）上に拡大投写される。光合成手段16は４
つの直角プリズム18、19、20、21を接合したプリズム型
のダイクロイックミラーであり、接合面22、23に赤反射
ダイクロイック多層膜が、接合面24、25に青反射ダイク
ロイック多層膜が蒸着されている。第５図に示した投写
型表示装置は、投写レンズが１本あるので画面サイズま
たは投写レンズ17からスクリーンまでの距離を容易に変
えられるという特徴がある。

発明が解決しようとする課題 第５図に示した構成では、集光レンズ２から各液晶パ
ネル13、14、15までの光路が、緑の光は短く、赤と青の
光は長い。一般に、集光レンズ２から出る光は光路が長
くなると光が拡がるので、緑の光は光利用効率が高い
が、赤と青の光は光路長が長い分だけ光利用効率が低く
なる。投写画像の白いバランスを考えると、例えば緑の
光路に減衰フィルタを挿入して、最適な赤、緑、青の照
度比にする必要がある。装置全体の光利用効率は最適な
赤、緑、青の照度比に最も不足する色の光で決定される
ので、第５図に示した構成では装置全体の光利用効率が
低いという問題がある。本発明はかかる点に鑑みてなさ
れたもので、光学系の光利用効率を向上させて、コンパ
クトでしかも光出力の大きい投写型表示装置を提供する
ことを目的としている。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明の投写型表示装置
は、３原色の色成分を含む光を放射する光源と、前記光
源の出力光を３原色の色光に分解する色分解手段と、映
像信号に応じた光学像が形成され前記色分解手段からの
各出力光がそれぞれ照射される３つのライトバルブと、
前記各ライトバルブからの出力光を１つに合成するため
の多層膜面をＸ字状に交差させた光合成手段と、前記光
合成手段からの出力光を受け前記光学像をスクリーン上
に投写する投写レンズと、前記色分解手段から出射する
３原色の色光のうちいずれか２つの色光を対応する２つ
の前記ライトバルブに導く２つの光伝達手段とを備え、
前記色分解手段は各々が交差しないように配置された２
枚の平板型ダイクロイックミラーからなり、前記光伝達
手段は入力端に配置される入力部集束レンズは、出力端
に配置される出力部収束レンズと、前記入力部収束レン
ズと前記出力部収束レンズとの光路中に配置される中央
部収束レンズと、前記入力部収束レンズと前記中央部収
束レンズとの間の光路を折り曲げる入力側平面ミラー
と、前記中央部収束レンズと前記出力部収束レンズとの
間の光路を折り曲げる出力側平面ミラーとを備え、前記
入力部収束レンズは前記中央部収束レンズの付近に前記
光源内の発光体の実像を形成し、前記中央部収束レンズ
は前記出力部収束レンズ付近に前記入力部収束レンズ付
近の物体の実像を形成し、前記出力部収束レンズはその
出力光が前記投写レンズに到達するようにしたものであ
る。

作用 上記構成によれば、集光レンズと光伝達手段の入力部
収束レンズとにより中央部収束レンズの付近に光源内の
発光体の実像を形成し、中央部収束レンズにより入力部
収束レンズ付近の物体の実像を出力部収束レンズ付近に
形成するようにしているので、入力部収束レンズに入射
して中央部収束レンズに到達するような光はすべて出力
部収束レンズを透過して出力される。入力側平面ミラー
と出力側平面ミラーとは、光伝達手段内の光路を折り曲
げるだけである。こうして、入力部収束レンズと中央部
収束レンズとが発散しようとする光を収束光に変換し、
光伝達手段内で光が拡がらないようにするので、光路の
長い部分の光利用効率の低下を防ぐことができ、光利用
効率を向上させた投写型表示装置を実現できることがで
きる。

実施例 以下、本発明の投写型表示装置の一実施例について添
付図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における光学系の構成を示
したもので、30は光源、38は色分解手段、43、44は光伝
達手段、45、46、47はライトバルブ、48は光合成手段、
52は投写レンズである。

光源30はランプ31と、集光レンズ32と凹面鏡33と、熱
線吸収フィルタ34とから構成され、ランプ31とは、赤、
緑、青の３原色の色成分を含む光を放射する。ランプ31
から放射される光は集光レンズ32と凹面鏡33とにより平
行に近い光に変換される。厳密には、ランプ31の発光体
35の中心36から出る光線が集光レンズ32から光軸37と平
行に出射するようにしてある。集光レンズ32から出た光
は熱線吸収フィルタ34により赤外線が除去される。

光源30から出射した光は２枚の平板型ダイクロイック
ミラー39、40をＶ字状に配置した色分解手段38により３
原色の色光に分解される。まず、法線41が光軸37と45度
をなす角度で配置された平板型の青反射ダイクロイック
ミラー39により青の色光が反射される。次に法線42が光
軸37と35度をなす角度で配置された平板型の赤反射ダイ
クロイックミラー40により赤の色光が反射される。２枚
の平板型ダイクロイックミラー39、40を透過した緑の色
光は、色分解手段を直進して緑のライトバルブ46に入射
する。色分解手段38により光路が折り曲げられた赤およ
び青の色光は光伝達手段43、44により赤および青のライ
トバルブ45、47まで効率よく導かれる。

ライトバルブ45、46、47は透過型の液晶バネルであっ
て、映像信号に応じて通過率の変化として光学像が形成
される。ライトバルブ45、46、47の出力光は光合成手段
48により１つに合成されて、実質的に緑のライトバルブ
46の位置にカラー画像が合成される。光合成手段48は平
板型の赤反射ダイクロイックミラー49と２分割された平
板型の青反射ダイクロイックミラー50、51をＸ字状に交
差させた構成となっている。このカラー画像は投写レン
ズ52によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写され
る。

一般に、ライトバルブには入射光線の入射角により光
学的特性が異なるという性質があり、通常の投写レンズ
を用いるとライトバルブの中心から離れるほどライトバ
ルブへの主光線の入射角が大きくなるので、スクリーン
上の中心と周辺で画質が異なる場合がある。これを避け
るために投写レンズ52はテレセントリックレンズ）を用
い、投写レンズ52のライトバルブ側の主光線がすべて光
軸37と平行になるようにしている。

以下に、光伝達手段43、44の構成について説明する。
第２図は赤の光伝達手段43の構成を示したもので、色分
解手段38側から順に、入射部収束レンズ53、入射側平面
ミラー54、中央部収束レンズ55、出力側平面ミラー56、
出力部出束レンズ57で構成される。入力部収束レンズ53
と出力部収束レンズ57とはいずれも平面58、59を中央部
収束レンズ55に向けた同一の平凸レンズで、それらの焦
点距離は中央部収束レンズ55の焦点距離の２倍である。
中央部収束レンズ55は両面60、61の曲率半径が等しい両
凸レンズである。入力部収束レンズ53と出力部収束レン
ズ57とはそれらの焦点が共に中央部収束レンズ55の中心
62の近傍にくるように配置されている。光路を折り曲げ
るために、入力側平面ミラー54と出力側平面ミラー56が
配置されている。入力部収束レンズ53と出力部収束レン
ズ57とを平凸レンズとし、平面58、59を中央部収束レン
ズ55に向けているのは、球面収差を大きくしないため
と、平面研磨が比較的安価なためである。また、中央部
収束レンズ55を両面60、61曲率半径が等しい両凸レンズ
とするのも中央部収束レンズ55で発生する収差を大きく
しないためである。青の光伝達手段44も、平面ミラー5
4、56によって光路を折り曲げる角度が異なるだけで、
それ以外は赤の光伝達手段43と同一の構成である。

以下に、第２図に示した光伝達手段43の作用について
説明する。第３図はランプ31から投写レンズ52までの光
学系を示したもので、説明を簡単にするために関係する
光学部品のみ示している。光伝達手段43には次のような
性質がある。

第１に、中央部収束レンズ55の焦点距離と収束レンズ
53、55、57の位置関係から、中央部収束レンズ55により
入力部収束レンズ53の中心63付近にある物体64の実像65
は出力部収束レンズ57の中心66付近に形成され、この物
体64と実像65とは同じ大きさである。このため、入力部
収束レンズ53の任意の位置から中央部収束レンズ55の任
意の位置に入射する光線は必ず出力部収束レンズ57に入
射する。しかも、ライトバルブ45、46、47への入射光の
光束径がほぼ同一となる。

第２に、入力部収束レンズ53の焦点と出力部収束レン
ズ57の焦点とがともに中央部収束レンズ55の中心62の近
傍にあり、中央部収束レンズ55の中心62付近は屈折力が
ないので、光軸37と平行に入力部収束レンズ53の周辺に
入射した光線は中央部収束レンズ55の中心62をそのまま
通過し、出力部収束レンズ57の周辺を通過する。このた
め、ランプ31の発光体35の中心36から出た光線が集光レ
ンズ32で屈折して光軸37と平行に出射する場合には、集
光レンズ32と入力部収束レンズ53とにより、ランプ31の
発光体35の実像68が中央部収束レンズ55の中心62付近に
形成される。

以上のことから、中央部収束レンズ55の有効領域が実
像68よりも大きければ、入力部収束レンズ53に入射した
光はすべて出力部収束レンズ57から出射し、光伝達手段
43の内部では光が拡がることによる損失のないことがわ
かる。このため第５図に示す構成に比べて赤と青の色光
が利用効率が高くなり、最終的な装置の光出力が改善さ
れる。

第３図からわかるように、ランプ31の発光体35の中心
36から出て集光レンズ32から出射する光線67と、出力部
収束レンズ57から出射する光線69とは光軸37と平行であ
るので、投写レンズ52の入力側の主光線は赤、緑、青の
いずれについても光軸37と平行になる。投写レンズ52が
テレセントリックレンズであるので、ライトバルブ45、
46、47から出射した光は効率よくスクリーン上に到達す
る。

ところで、第１図に示した構成の光合成手段48に用い
るダイクロイックミラーは平板型とプリズム型とが考え
られるが、コストを考えれば平板型を使用したい。しか
し、平板型のダイクロイックミラー49、50、51をＸ字状
に交差させた構成は次のような問題がある。まず、交差
部70の像がスクリーン上にぼけて投写される場合があ
る。これは平板型ダイクロイックミラー49、50、51のガ
ラス基板厚を薄くすれば実用上問題はない。また、スク
リーン中心より投写レンズの瞳を覗き込んで、光線30の
発光体35の虚像が正円ではなかった場合には、この発光
体35の虚像の長手方向と交差部70を直交させることでス
クリーン上での交差部70の像をより目立ちにくくするこ
とができる。次に、第５図に示したように色分解手段38
と光合成手段48の両方にＸ字状に交差した平板型ダイク
ロイックミラーを用いた場合、２ヶ所の交差部の相互作
用により、スクリーン上に輝線を生じる。この輝線の問
題を避けるために、第１図に示す構成では色分解手段38
を２枚の平板型ダイクロイックミラー39、40が交差しな
い構成としている。

第１図に示すように色分解手段38を構成すると、３原
色のいずれの色光についても光源30からライトバルブ4
5、46、47までの光路長が第５図に示す構成に比較して
長くなる。しかし、光伝達手段43、44を用いているの
で、赤および青の色光については光路長の長短に関わら
ず収束レンズ53、55、57を最適設計することで光利用効
率が改善できる。色分解手段38を直進する緑の色光につ
いては、平板型の赤反射ダイクロイックミラー40の法線
42と光軸37とのなす角を45度以下として光路長の増分を
できるだけ短くして光利用効率の低下を抑えている。こ
こで、光伝達手段43、44は２枚の平面ミラーにより光路
を自由に折り曲げられるので、色分解手段38から出射す
る光の進行方向に関わらずに任意に配置することができ
る。

次に、具体的な数値例を用いて説明する。

ライトバルブ45、46、47の表示寸法が40mm×60mm、投
写レンズ52が焦点距離、150mm、明るさF2.5、入力部収
束レンズ53と出力部収束レンズ57とが焦点距離130mm、
中央部収束レンズ55が焦点距離65mmである。第５図に示
した構成の場合、赤のライトバルブ45の直前の照度は色
分解手段38の直後の照度の約50％であったが、第１図に
示した構成では、赤のライトバルブ45の直前の照度は色
分解手段38の直後の約75％となり、明らかに光利用効率
の向上が認められた。青の色光についても同様に光利用
効率の改善が認められた。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第２図に示した光伝達手段43の入力部収束レンズ53と
出力部収束レンズ57とは平凸レンズでなくてもよい。第
４図はこの場合の例を示したもので、入力部収束レンズ
71と出力部収束レンズ72とは同一の両凸レンズで、曲率
の小さい面73、74を中央部収束レンズ55に向けている。
一般に、球面レンズはＦ数が小さいと球面収差が大きく
なり、光の拡がりを無視できなくなる。この場合、平凸
レンズよりも、中央部収束レンズ55に向いた面73、74の
曲率半径が他方の面の曲率半径の約２倍の両凸レンズの
方が球面収差が少ない。なお、量産時のコストを考える
と、入力部収束レンズ71と出力部収束レンズ72とを同一
のレンズにするのがよい。

第２図および第４図に示した入力部収束レンズ53、7
1、中央部収束レンズ55、出力部収束レンズ57、72の少
なくとも１つのレンズに少なくとも１つの非球面を含む
ようにして光伝達手段での諸収差の発生を抑制すれば、
光伝達手段内の光が拡がる事による損失を更に小さくす
ることができる。

また、入力部収束レンズ53、71と出力部収束レンズ5
7、72の少なくとも１つのレンズにフレネルレンズを用
いればレンズが薄くなり、光学系全体が占める空間がコ
ンパクトになる。

第２図に示した構成では、入力部収束レンズ53と出力
部収束レンズ57とを同一の平凸レンズとし、３枚の収束
レンズ53、55、57の焦点距離の関係と位置関係を規定し
たが、これにこだわる必要はなく、多少変更することに
より、スクリーン上の中心部に対する周辺部の照度比
や、赤、緑、青の照度比などの最適化を図ることもでき
る。

また、第１図に示した構成の各光路の色は特に上述の
ように設定する必要はなく、投写画像の白バランスを考
えて各光路の色を決定すればよい。

また、色分解手段38における平板型のダイクロイック
ミラー39、40は必ずしも第１図に示したように配置する
必要はない。色分解手段がいかなる構成であっても、色
分解手段から出射する３原色の色光について、ある１つ
の色光は対応するライトバルブに直接入射するように
し、他の２つの色光は光伝達手段を用いて対応するライ
トバルブまで効率よくその光を導くことで、光路長の長
い部分での光の減衰を改善した光出力の大きい投写型表
示装置が構成できる。

第１図に示す構成ではテレセントリックの投写レンズ
52を用いたが一般にテレセントリックの投写レンズは高
価である。そこで、ライトバルブ45、46、47の入射光側
に近接してフィールドレンズを配置し、色分解手段38ま
たは光伝達手段43、44から出射する光を収束させて、投
写レンズ52の入射瞳内に有効に入射させることもでき
る。

第１図では、ライトバルブ45、46、47として液晶パネ
ルを用いた例を示したが、電気光学結晶など光学的特性
の変化として映像信号に応じた光学像を形成できるもの
ならライトバルブとして用いることができる。いずれ
も、上述の実施例と同様の効果を得ることができる。

発明の効果 以上述べたごとく本発明によれば、光路の長い部分に
収束レンズを組み合わせた光伝達手段を用いてその部分
での光利用効率の低下を防ぐので、装置全体の光利用効
率を向上させることができ、それによりコンパクトでし
かも光出力の大きい投写型表示装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における投写型表示装置の構
成を示す構成図、第２図は第１図に示した投写型表示装
置で用いる光伝達手段の構成図、第３図は第１図に示し
た光伝達手段の作用を説明するための線図、第４図は本
発明の他の実施例における光伝達手段の構成を示す構成
図、第５図は従来の投写型表示装置の構成を示す構成図
である。 30……光源、38……色分解手段、43,44……光伝達手
段、45,46,47……ライトバルブ、48……光合成手段、52
……投写レンズ、53……入力部収束レンズ、54……入力
側平面ミラー、55……中央部収束レンズ、56……出力側
平面ミラー、57……出力部収束レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−284592（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−122637（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−196192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−106785（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−142509（ＪＰ，Ａ)

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３原色の色成分を含む光を放射する光源
   と、前記光源の出力光を３原色の色光に分解する色分解
   手段と、映像信号に応じた光学像が形成され前記色分解
   手段からの各出力光がそれぞれ照射される３つのライト
   バルブと、前記各ライトバルブからの出力光を１つに合
   成するために多層膜面をＸ字状に交差させた光合成手段
   と、前記光合成手段からの出力光を受け前記光学像をス
   クリーン上に投写する投写レンズと、前記色分解手段か
   ら出射する３原色の色光のうちいずれか２つの色光を対
   応する２つの前記ライトバルブに導く２つの光伝達手段
   とを備え、 前記記色分解手段は各々が交差しないように配置された
   ２枚の平板型ダイクロイックミラーからなり、 前記光伝達手段は、入力端に配置される入力部収束レン
   ズと、出力端に配置される出力部収束レンズと、前記入
   力部収束レンズと前記出力部収束レンズとの光路中に配
   置される中央部収束レンズと、前記入力部収束レンズと
   前記中央部収束レンズとの間の光路を折り曲げる入力側
   平面ミラーと、前記中央部収束レンズと前記出力部収束
   レンズとの間の光路を折り曲げる出力側平面ミラーとを
   備え、前記入力部収束レンズの焦点距離と前記出力部収
   束レンズの焦点距離とは、前記中央部収束レンズの焦点
   距離の略２倍であり、前記入力部収束レンズと前記出力
   部収束レンズとは、それらの焦点がともに前記中央部収
   束レンズの略中心にくるように配置し、前記入力部収束
   レンズは前記中央部収束レンズの付近に前記光源内の発
   光体の実像を形成し、前記中央部収束レンズは前記出力
   部収束レンズ付近に前記入力部収束レンズ付近の物体の
   実像を形成し、前記出力部収束レンズはその出力光が前
   記投写レンズに到達するようにし、 前記光伝達手段に入力されない３原色のうちの１つの色
   光は、前記２枚の平板型ダイクロイックミラーを通過
   後、前記ライトバルブに導かれることを特徴とする投写
   型表示装置。
2. 【請求項２】光源からの出射光と光伝達手段からの出射
   光とは平行光に近く、投写レンズはテレセントリックレ
   ンズであることを特徴とする請求項（１）記載の投写型
   表示装置。
3. 【請求項３】中央部収束レンズは両面の曲率半径が等し
   い両凸レンズであることを特徴とする請求項（１）記載
   の投写型表示装置。
4. 【請求項４】入力部収束レンズと出力部収束レンズとは
   同一のレンズであることを特徴とする請求項（１）記載
   の投写型表示装置。
5. 【請求項５】入力部収束レンズと出力部収束レンズとは
   ともに曲率の小さい面を中央部収束レンズに向けて配置
   したことを特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装
   置。
6. 【請求項６】入力部収束レンズと出力部収束レンズとは
   ともに平面を中央部収束レンズに向けた同一の平凸レン
   ズであることを特徴とする請求項（１）記載の投写型表
   示装置。
7. 【請求項７】入力部収束レンズと中央部収束レンズと出
   力部収束レンズの少なくとも１つのレンズに少なくとも
   １つの非球面を含むことを特徴とする請求項（１）記載
   の投写型表示装置。
8. 【請求項８】ライトバルブ入射光側にフィールドレンズ
   を具備し、前記ライトバルブを透過した光が投写レンズ
   の入射瞳内に入射するようにしたことを特徴とする請求
   項（１）記載の投写型表示装置。
9. 【請求項９】入射側収束レンズと出射側収束レンズとの
   少なくとも１つのレンズがフレネルレンズであることを
   特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
10. 【請求項１０】色分解手段を直進する色光が光合成手段
    を直進するようにしたことを特徴とする請求項（１）記
    載の投写型表示装置。
11. 【請求項１１】色分解手段は各々が交差しないようにＶ
    字状に配置した２枚の平板型ダイクロイックミラーから
    なることを特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装
    置。
12. 【請求項１２】色分解手段で光路が折り曲げられる２つ
    の色光のうち一方の光軸の折り曲げ角が鋭角であること
    を特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
13. 【請求項１３】スクリーン中心より投写レンズの瞳を覗
    き込んで、光源の発光体の虚像の長手方向と光合成手段
    の多層膜面の交差線とが略直交するようにしたことを特
    徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
14. 【請求項１４】光合成手段はＸ字状に交差させた２枚の
    平板型のダイクロイックミラーからなることを特徴とす
    る請求項（１）記載の投写型表示装置。