JP2839259B2

JP2839259B2 - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2839259B2
Application number: JP63070036A
Authority: JP
Inventors: 義人宮武; 吉弘枡本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-03-24
Filing date: 1988-03-24
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: JPH01243015A

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なうために、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
来からよく知られている。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
光は平面ミラー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。多層膜の交差部26はその影響が
スクリーン上に現われないように非常に細くしている。
色分解手段５の交差部27もスクリーン上にぼけて帯状に
投写されるが、投写レンズ17のＦ数が小さければ実用上
問題はない。

第５図に示した投写型表示装置は、投写レンズが１本
で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。ま
た、色分解手段５と光合成手段６とはダイクロイック多
層膜をＸ字状に交差させるので光学系に必要な空間が小
さくな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、緑の光は短かく、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
低く、光出力が小さいという問題がある。また、光源の
光出力を大きくすれば装置の光出力を大きくできるが、
光源が大きくなりそれだけ装置全体が大きくなるという
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原色の光に分解する多層膜面をＸ字状に
交差させた色分解手段と、前記色分解手段を直進する光
が入射するフィールドレンズと、前記色分解手段から横
方向に折曲げられて出射する光が入射する２つの光伝達
手段と、前記フィールドレンズからの出射光と前記２つ
の光伝達手段からの出射光とがそれぞれ照射され映像信
号に応じた光学像が形成される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
する投写レンズとを備え、前記色分解手段を直進する光
は前記光合成手段を直進するようにし、前記フィールド
レンズはその出射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間の光路
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
収束レンズの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
部収束レンズを通過して出力される。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とができる。次に、フ
ィールドレンズと出力部収束レンズとはそれらの出射光
が投写レンズに到達するようにしているので、この部分
の光利用効率は従来と同等である。従って、収束レンズ
を組合わせた光伝達手段を用いることにより、光利用効
率を向上させた投写型表示装置を実現することができ
る。

実施例以下本発明による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、39はフィール
ドレンズ、40,41は光伝達手段、42,43,44はライトバル
ブ、45は光合成手段、46は投写レンズ、50は入力部収束
レンズ、51は入力側平面ミラー、52は中央部収束レン
ズ、53は出力側平面ミラー、54は出力部収束レンズであ
る。なお、色分解手段38と光合成手段45とは第５図に示
した従来例で用いているものと同一である。

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の出力光は色分解手段38に入射し、赤，緑，青の光に
分解され、緑の光はフィールドレンズ39に入射し、赤と
青の光はそれぞれ光伝達手段40,41に入射する。光伝達
手段40を出た赤の光、フィールドレンズ39を出た緑の
光、光伝達手段41を出た青の光はそれぞれ赤，緑，青の
ライトバルブ42,43,44に入射する。ライトバルブ42,43,
44は透過型の液晶パネルであって、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。ライトバルブ4
2,43,44からの出力光は光合成手段45により１つに合成
されて、実質的にライトバルブ43の位置にカラー画像が
合成される。このカラー画像は投写レンズ46によりスク
リーン（図示せず）上に拡大投写される。

フィールドレンズ39は平面47をライトバルブ43に向け
た平凸レンズであり、光軸37に平行な光線がフィールド
レンズ39に入射した場合にその出力光線が投写レンズ46
の瞳48の中心49の近傍に到達するようにしている。フィ
ールドレンズ39の形状と向きをこのようにするのは、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。

投写レンズ46はライトバルブ側の画角が小さい投写レ
ンズとなっている。これは、次のような理由による。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、通常の広角の投写レン
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
けるにはライトバルブ側の半画角を10度あるいはそれ以
下にするとよい。

第２図は赤の光伝達手段40の構成を示したもので、色
分解手段38側から順に、入力部収束レンズ50と、入力側
平面ミラー51と、中央部収束レンズ52と、出力側平面ミ
ラー53と、出力部収束レンズ54とで構成されている。入
力部収束レンズ50は平面55を中央部収束レンズ52に向け
た平凸レンズ、中央部収束レンズ52は両面56,57の曲率
半径が等しい両凸レンズ、出力部収束レンズ54は両凸レ
ンズであり、収束レンズ50,52,54は等光路間隔で配置さ
れている。光路を直角に折曲げるために、入力部収束レ
ンズ50と中央部収束レンズ52との間に入力側平面ミラー
51が配置され、中央部収束レンズ52と出力部収束レンズ
54との間に出力側平面ミラー53が配置されている。入力
部収束レンズ50の焦点距離は中央部収束レンズ52の焦点
距離の２倍で、入力部収束レンズ50の焦点が中央部収束
レンズ52の中心58の近傍にくるようにしてある。出力部
収束レンズ54は、中央部収束レンズ52の中心58から出る
光線が屈折して投写レンズ46の瞳48の中心49の近傍に到
達するようにしてある。入力部収束レンズ50を平凸レン
ズとし、平面55を中央部収束レンズ52に向けるのは、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。中央部収束レンズ52を両面56,57の曲率半
径が等しい両凸レンズとし、出力部収束レンズ54を両凸
レンズとするのも球面収差を大きくしないためである。
青の光伝達手段41は赤の光伝達手段40と同一の構成とな
っている。

以下に、第２図に示した赤の光伝達手段40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46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40には次のよ
うな性質がある。

第１に、中央部収束レンズ52の焦点距離と収束レンズ
50,52,54の位置の関係から、中央部収束レンズ52により
入力部収束レンズ50の中心付近59にある物体60の実像61
は出力部収束レンズ54の中心付近62に形成され、この物
体60と実像61とは同じ大きさである。このため、入力部
収束レンズ50の任意の位置から中央部収束レンズ52の任
意の位置に入射する光線は必らず出力部収束レンズ54に
入射する。しかも、ライトバルブ42,43,44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50の焦点が中央部収束レン
ズ52の中心58の近傍にあり、中央部収束レンズ52の中心
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50の周辺に入射した光線63は中央部収束レンズ52の
中心58をそのまま通過し、出力部収束レンズ54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50とに
より、ランプ31の発光体35の実像64が中央部収束レンズ
52の中心58付近に形成される。

以上のことから、中央部収束レンズ52の有効領域が実
像64よりも大きければ、入力部収束レンズ50に入射した
光はすべて出力部収束レンズ54から出射し、光伝達手段
40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６図に示した従来の構成に比べて赤
と青の光の光利用効率が高くなり、その結果として装置
全体の光利用効率が高くなる。

ランプ31の発光体35の中心36から出た光線は、緑の光
がフィールドレンズ39を通過して、赤と青の光がそれぞ
れ光伝達手段40,41を通過して、投写レンズ46の瞳48の
中心49付近に到達する。つまり、ランプ31の発光体35の
赤，緑，青に分れた実像が、投写レンズ46の瞳48の近傍
に形成される。第３図には、赤の光の場合が示されてい
る。従って、ライトバルブ42,43,44から出射した光は効
率良くスクリーン上に到達する。なお、第２図に示した
構成では、入力部収束レンズ50から出力部収束レンズ54
までの光路長を自由に選べるので、光路を折曲げるため
の平面ミラー51,53を配置する空間は十分に確保でき
る。

次に具体的な数値例を用いて説明する。

ライトバルブの表示寸法が40mm×60mm、投写レンズ46
が焦点距離150mm、明るさF2.5、フィールドレンズ39が
焦点距離170mm、入力部収束レンズ50が焦点距離130mm、
中央部収束レンズ52が焦点距離65mm、出力部収束レンズ
54が焦点距離80mmである。第５図に示した構成の場合、
赤のライトバルブ13の直前の照度は色分解手段５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42の直前の照度は色分解手段38の直後
の照度の約75％となり、明らかに光利用効率の向上が認
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40の入力部収束レンズ50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65を曲率の小さい面66が
中央部収束レンズ52に向いた両凸レンズとしている。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52に向いた面66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。また、第２図に示した入力部収束レン
ズ50,中央部収束レンズ52,出力部収束レンズ54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40の諸収差の発生を抑制すれば、光伝
達手段40内の光が拡がることによる損失をさらに小さく
することができる。これは、第４図に示した光伝達手段
の場合も同様である。

第１図に示した構成では、フィールドレンズ39を平凸
レンズとしたが、他の形状の球面レンズや少なくとも一
方の面に非球面を含むレンズを用いて、スクリーン上の
中心部に対する周辺部の照度比の最適化を図ることもで
きる。この場合、曲率の小さい面をライトバルブ43に向
ける方が収差の点で有利である。

第２図に示した構成では、入力部収束レンズ50を平凸
レンズとし、中央部収束レンズ52の焦点距離と収束レン
ズ50,52,54の位置の関係を規定したが、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。

第１図では、ライトバルブ42,43,44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。また、第１
図では光合成手段45としてプリズム型のダイクロイック
ミラーを用いた例を示したが、高い解像度が要求されな
い場合には、色分解手段38と同様に平板型のダイクロイ
ックミラーをＸ字状に交差させたものを用いることがで
きる。いずれも、上述の実施例と同様の作用と効果を得
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いでいるので、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、非常に大きな効果がある。

【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
成を示す略構成図、第２図は第１図に示した投写型表示
装置に用いる光伝達手段の略構成図、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略線図、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
す略構成図、第５図は従来の投写型表示装置の構成を示
す略構成図である。 30……光源、38……色分解手段、39……フィールドレン
ズ、40,41……光伝達手段、42,43,44……ライトバル
ブ、45……光合成手段、46……投写レンズ、50……入力
部収束レンズ、51……入力側平面ミラー、52……中央部
収束レンズ、53……出力側平面ミラー、54……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62−287219（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−266529（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−186225（ＪＰ，Ａ) マックス・ボルン，エミル・ウォルフ著草川徹・横田英嗣訳「光学の原理Ｉ」第331頁（東海大学出版会，1980年第３刷発行)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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原色の光に分解する多層膜面
をＸ字状に交差させた色分解手段と、前記色分解手段を
直進する光が入射するフィールドレンズと、前記色分解
手段から横方向に折曲げられて出射する光が入射する２
つの光伝達手段と、前記フィールドレンズからの出射光
と前記２つの光伝達手段からの出射光とがそれぞれ照射
され映像信号に応じた光学像が形成される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を備え、前記色分解手段を
直進する光は前記光合成手段を直進するようにし、前記
フィールドレンズはその出射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
の間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の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ことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】光源からの出射光が平行光に近いことを特
徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
【請求項３】入力部収束レンズと中央部収束レンズと出
力部収束レンズとは略等光路間隔で配置され、前記入力
部収束レンズの焦点距離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の焦点が前
記中央部収束レンズの略中心にく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。
【請求項４】入力部収束レンズは曲率の小さい面を中央
部収束レンズに向けた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。
【請求項５】入力部収束レンズは平面を中央部収束レン
ズに向けた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。
【請求項６】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。
【請求項７】フィールドレンズは曲率の大きい面を色分
解手段に向けた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。
【請求項８】フィールドレンズは凸面を色分解手段に向
けた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。
【請求項９】出力部収束レンズは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。
【請求項１０】フィールドレンズと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うち少なくとも
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。