JP3218604B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ビデオ映像やコンピュータ画像等を表示す
る投射型表示装置に係り、なかでも液晶ライトバルブ等
を用いてスクリーンの背面より斜めに投射する投射型表
示装置に関する。

背景技術 近時、透過型または反射型ドットマトリックス液晶等
を用いた表示装置（以下ライトバルブと称する）を用
い、このライトバルブに表示される画像をスクリーンに
拡大投射して大画面として見せる拡大投射方式が着目さ
れている。これはブラウン管（CRT）による画像表示に
は自ずと大きさに限界があり、大画面化するにはブラウ
ン管自体の大型化を伴い、実用上は40インチ程度の大き
さが限界となるためそれ以上の画像を得たいとの要望に
応えるためである。

一方、ライトバルブ自体を大面積化するには、製作の
上で欠陥のない大型液晶表示装置を得ることは容易でな
く、仮に得られたとしてもきわめて高価になる。

このようなことから、透過型（または反射型）のライ
トバルブを用いてこれに表示される画像を拡大投射すれ
ば、画面の大きさに制約を受けず、迫力のある大画面を
得ることが可能である。

したがって、ライトバルブを用いて拡大投射する光学
系をキャビネット内に納め、キャビネットの前面に設け
たスクリーンに背面投射して、キャビネットの前面から
拡大画像を見ることができるようにしたディスプレイ型
の表示装置が提供されるに至っている。

この種のライトバルブを用いた従来の背面投射型表示
装置は、例えば実開平１−85778号公報にも見られるよ
うに、透過型液晶ライトバルブに光源から照明を与え、
この液晶ライトバルブに表示される画像を投射レンズに
より拡大するとともに反射ミラーにより光路を変換さ
せ、スクリーンの背面に導く構造である。こうすること
により投射光学系はすべてキャビネット内に納められ、
任意の場所へ移動が可能であり、かつ明るい室内であっ
てもスクリーン上の画像を見ることができる。

しかし、上記従来のディスプレイ型の背面投射による
表示装置では、ライトバルブを透過した光束を反射ミラ
ーにより光路変換してスクリーンの背面に導く構造であ
るため、スクリーンに対し垂直な光軸をもって投射しな
いと台形歪などにより画像に歪みが生ずるので反射ミラ
ーの設置条件に大きな制約を受け、これに起因して投射
光学系が占める容積、特にスクリーンに対して奥行き方
向の寸法（キャビネットの厚さ）が増し、それ故薄型の
キャビネットによる背面投射型表示装置とすることがで
きない。

そこでこれを解決する手段として斜め投射方式が考え
られる。一般に傾いた物のレンズによる像はUSP751,347
号にT.Scheimpflugが示したように台形歪が発生する。
第13図に示すように傾いた物面43はレンズ44により傾い
た像面45に結像する。その傾きの関係は同図に示すよう
に物面43とレンズ44と像面45との延長線が一致するよう
になる。レンズ44の像側焦点ｆの光軸Ｚに対する垂線と
像面45との交点をｇとすると、第14図に示される正方形
の物面上の像ABCDはレンズ44により第15図に示される台
形ABCDとなって像面45上に結像する。

そこでこの台形歪を除去するために、第16図に示すよ
うにライトバルブ46と第１の投射レンズ47と第２の投射
レンズ49とスクリーン50とをＺ軸に対して角度φ₁,φ₂,
φ₃,φ_４だけ傾けて配置するようにする。ここで、第１
の投射レンズ47の像側焦点f1を通り第１の投射レンズ47
と平行な面と台形歪のある像面48との交線ｇと、第２の
投射レンズ49の物側焦点f2を通り第２の投射レンズ49と
平行な面と台形歪のある像面48との交線ｇ′とを一致さ
せるようにする。

このとき、例えば第17図に示される正方形ABCDのライ
トバルブ46の像は、第１の投射レンズ47により第18図に
示されるような台形歪のある像ABCDになるが、第２の投
射レンズ49によりスクリーン50上に第19図に示す台形歪
のない像ABCDに結像される。そこで、この投射光学系を
第12図に示すように、第１のミラー40と第２のミラー41
とにより折曲するようにしてキャビネット38に納めれ
ば、薄型の背面投射型表示装置を構成することができ
る。同図中39は投射光学ユニットを示す。

しかしながら、上記投射光学系では、台形歪を除去す
るために第16図における第１の投射レンズ47の焦点距離
が短くなり、レンズの口径が小さくなる。そのために第
20図のように光源51からコンデンサーレンズ52で集光し
た光でライトバルブ46を照明することが必要となる。そ
のとき、第20図に示したようにライトバルブ46の上方と
下方では異なった角度θ₁,θ_２で光が入射することにな
り、ライトバルブ46の光の透過率は入射角により変化す
ることからスクリーン50上の画像に明るさにむらが生ず
るという問題点がある。

一方、この種の投射型表示装置に使用される従来の照
明装置は、第30図に示す断面図のように、ランプ53とリ
フレクタ54とで構成され、ランプ53から出射する光束が
リフレクタ54で反射して光束Ｈとなり、これを光源とし
て画像をスクリーンに投射していた。

しかし、前述の従来技術では、ランプ53から出射する
光束がリフレクタ54で反射して出射される光束Ｈには、
リフレクタ54の中心Ｆ部の反射光がなく、そのため平行
性の高い光束の分布は、第31図に示すように中心部が少
なく、スクリーンに投射した拡大画像の中心部が暗いと
いった問題を有していた。

またリフレクタ54の端から周辺に向かって出射する光
Ｋはそのまま逃げてしまい、有効に利用することができ
なかった。

他方、この種のライトバルブを用いた従来の背面投射
型表示装置は、例えば特開平３−051251号公報にも見ら
れように、光源から照明を与えられてライトバルブに表
示される画像を投射レンズにより拡大投射して反射ミラ
ーにより光路を変換させ、スクリーンの背面の斜め方向
から導くように構成されるが、その反射ミラーは、第42
図に示すように平面に反射ミラー55が用いられている。

しかし、平面の反射ミラー55を使用するがために投射
レンズや反射ミラーによって第43図に示すようにスクリ
ーン50上の画像56に歪曲を生じたり、必要な拡大率が得
られない場合がある。

また従来のこの種の透過型スクリーンとしては、第50
図に示される構造のものがあり、同図（ａ）はその透過
型スクリーンを斜視図で示し、同図（ｂ）はこのスクリ
ーンの断面を示している。ビデオプロジェクタ57から投
射された光像は、透過型スクリーン58の背面に形成され
た微小プリズムアレー58aによって正面側に集光され
る。この微小プリズムアレー58aを構成する各プリズム
のプリズム頂角は図示のように52゜に形成されている。
正面側に集光された光像は人間の眼59に到達し、ビデオ
プロジェクタ57から投射された光像が認識される。

しかしながら、上記のような構造の透過型スクリーン
58においては光洩れやゴーストが生じた。つまり、プリ
ズムアレー58aに入射する光の角度により、プリズムで
屈折して人間の眼59に到達していた光の一部が透過型ス
クリーン58において洩れる現象が生じる。そのため、透
過型スクリーン58に写し出される像が暗くなり、視認し
ずらかった。

また、ゴーストが生じるメカニズムは次のように考え
られる。すなわち、第51図に示されるように、透過型ス
クリーン58の光入射面側に遮蔽シート60を当てておき、
この遮蔽シート60が当てられた光入射面側には上述のプ
リズムアレー58aが形成されている。矢示の方向から入
射した光はスクリーン58の出射面58bで全反射し、さら
に遮蔽シート60裏側のプリズムアレーで屈折して曲げら
れる。この曲げられた光は出射面58bを介して人間の眼5
9に到達する。したがって、黒い遮蔽シート60で光入射
面が覆われて本来暗くあるべき部分が、人間の眼59には
明るく見えることになる。具体的には、本来、黒色でな
ければならない部分が赤っぽく明るく光って見え、大変
に目立つものとなる。これは、屈折の波長依存性により
赤色ほど曲りにくいため、赤色が洩れやすいものと思わ
れる。

このようなゴースト現象を防止する対策として、斜線
で図示されるブラックストライプ61を透過型スクリーン
58に形成し、光洩れの原因になる光路を塞ぐことが考え
られる。しかしながら、このような対策によって一応ゴ
ーストの発生を抑制することは可能ではあるが、ゴース
トを封じる本質的な対策ではなく、また、スクリーン58
にブラックストライプ61を形成するのに手間がかかると
いう問題点がある。

本発明は、投射型表示装置においてライトバルブを入
射角が各部でほぼ一定な平行光で照明することにより、
明るさにむらが少ない斜め投射の表示装置を提供するこ
とを目的とする。

また光源のランプから出射されてリフレクタにより反
射して得られる平行光束の分布をほぼ均一にし、明るさ
のほぼ均一な画像を得ることができる照明装置を有する
投射型表示装置を提供することを目的とする。

さらに光学系中の少なくとも１枚以上の反射ミラーを
部分的もしくは一様に非平面とすることによりスクリー
ン上の画像の歪曲の補正、拡大率の修正を可能とする表
示装置を提供することを目的とする。

そして光洩れやゴーストの発生が無く、高品質画像を
観察することを可能とする透過型スクリーンを備える表
示装置を提供することを目的とする。

発明の開示 すなわち本発明は、光源と、光変調手段と、光変調手
段で生成される像をスクリーンに投射する投射手段と、
スクリーンとを有し、前記投射手段で投射される投射光
の中心光軸が前記スクリーンに対して斜めに入射する投
射型表示装置において、前記投射手段は、前記光変調手
段で生成された像を台形歪のある中間像に変換する第１
の投射光学手段と、前記台形歪のある中間像をスクリー
ン上で台形歪のない像に変化する第２の投射光学手段
と、光変調すなわち画質改善を行う絞り機構とで構成さ
れ、前記第１の投射光学手段は、互いに平行でない２つ
のレンズを少なくとも１組有し、前記絞り機構を投射光
学手段内に設けたことを特徴とする。

また、本発明は、ランプとリフレクタとを有し、前記
リフレクタの出射側の空間にリフレクタにより反射して
得られる光束分布を略均一にするための光透過性の光学
素子を配置した照明装置を有する。

また、本発明は、光源と、光変調手段と、光変調手段
で生成される像をスクリーンに投射する投射手段と、投
射手段より出射させる投射光をスクリーンに入射させる
反射ミラーと、スクリーンとを有し、前記投射手段で投
射される投射光の中心光軸が前記スクリーンに対して斜
めに入射する投射型表示装置において、前記反射ミラー
を複数枚で構成し、少なくとも１枚以上の反射ミラーを
非平面にしたことを特徴とする。

また、本発明は、背面側から角度をなして入射される
光像が微小プリズムアレーにより正面側に集光される透
過型スクリーンを有する投射型表示装置において、前記
微小プリズムアレーの各プリズム頂角が40度以上50度以
下に設定されていることを特徴とする透過型スクリーン
を有する。

また、本発明は、光変調手段と、光変調手段で生成さ
れる像をスクリーンに投射する投射手段と、投射手段よ
り出射させる投射光をスクリーンに入射させる反射ミラ
ーと、スクリーンとを有し、前記反射ミラーのスクリー
ンに入射させる最終の反射ミラーと前記スクリーンとを
平行に配置した投射型表示装置において、前記投射手段
で投射される投射光の中心光軸が前記スクリーンに対し
入射角αが60゜より大きい角度を有することを特徴とす
る。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による斜め投射光学系の配置図、第２
図は第１図におけるライトバルブの説明図、第３図は第
１図における中間像の説明図、第４図は第１図における
スクリーン上での結像の説明図、第５図は本発明による
第１の投射光学系を正のレンズで構成した場合の実施例
の光学系配置図、第６図は本発明による第１の投射光学
系を正のレンズと負のレンズで構成した場合の実施例の
光学系配置図、第７図は本発明による、互いに平行でな
い２つのレンズを２組用いた第１の投射光学系の正レン
ズによる実施例の光学系配置図、第８図は本発明によ
る、互いに平行でない２つのレンズを２組用いた第１の
投射光学系の正レンズと負レンズによる実施例の光学系
配置図、第９図は本発明による、互いに平行でない２つ
のレンズを２組用いた第１の投射光学系の正レンズと負
レンズによる第２の実施例の光学系配置図、第10図は本
発明に使用するレンズの実施例の断面図、第11図は本発
明に使用するプリズムの全反射によるスクリーン断面の
一部拡大図、第12図は本発明による斜め投射光学系によ
る背面投射型表示装置の構成例の断面図、第13図は傾い
た物面の結像の説明図、第14図は第13図の物面の説明
図、第15図は第13図の像面の結像の像の説明図、第16図
は斜め投射光学系の断面図、第17図は第16図のライトバ
ルブの説明図、第18図は第16図の台形歪のある像面の説
明図、第19図は第16図のスクリーンの結像の説明図、第
20図は照明系を含んだ斜め投射光学系の光路図、第21図
は従来の投射光学系におけるスポットダイアグラム図、
第22図は本発明による絞り機構を設けた投射光学系の断
面図、第23図（Ａ）〜（Ｃ）は絞り機構の形状例を示す
説明図、第24図は本発明による絞り機構を使用したとき
のスクリーン上のスポットダイアグラム図、第25図は本
発明の投射型表示装置の照明光学装置の断面図、第26図
は本発明の照明光学装置の平行光束分布図、第27図は本
発明の他の実施例における投射型表示装置の照明光学装
置の断面図、第28図は本発明のさらに他の実施例におけ
る投射型表示装置の照明光学装置の断面図、第29図は本
発明のさらに他の実施例における投射型表示装置の照明
光学装置の断面図、第30図は従来の投射型表示装置の照
明光学装置の断面図、第31図は従来の投射型表示装置の
照明光学装置の平行光束分布図、第32図〜第36図は光学
素子の変形例を示す断面図、第37図は第32図〜第36図の
実施例による平行光束分布図、第38図（Ａ），（Ｂ）は
本発明の反射ミラーの実施例を示す断面図、第39図は本
発明による作用の方向を示す説明図、第40図は本発明に
よるスクリーン上での結像の説明図、第41図はこの反射
ミラーを用いた投射型表示装置の構成例の断面図、第42
図は従来技術による最終の反射ミラーの断面図、第43図
は第42図によるスクリーン上での結像の説明図、第44図
（Ａ），（Ｂ）は本発明による透過型スクリーンの構造
を示す一部の斜視図および断面図、第45図は本実施例に
よる透過型スクリーンが適用された背面投射型プロジェ
クタの斜視図、第46図は本実施例による透過型スクリー
ンの有効性を確認する解析に使用されたスクリーンの断
面図、第47図は第46図の透過型スクリーンを40インチ画
面に適用した際のスクリーン各位置における光洩れ率を
示すグラフ、第48図は第46図の透過型スクリーンを50イ
ンチ画面に適用した際のスクリーン各位置における光洩
れ率を示すグラフ、第49図は指向性の高い光源によって
ゴーストの視認が防止されることの説明図、第50図
（Ａ），（Ｂ）は従来の透過型スクリーンを示す図、第
51図はゴーストが正じるメカニズムの説明図、第52図は
従来技術による最終の反射ミラーの断面図、第53図は外
光がスクリーンを透過する時の状態図、第54図は最終の
反射ミラーで反射した外光がスクリーンを透過する時の
状態図、第55図は従来技術によるスクリーンの説明図、
第56図は本発明の反射ミラーの実施例であり、実施例に
よる断面図である。

発明を実施するための最良の形態 本発明をより詳細に説明するため、添付図面を参照し
て説明する。

第１図は本発明による斜め投射の光学系配置の一実施
例を示し、第２図はライトバルブの像を、第３図は台形
歪のある中間像を、そして第４図は台形歪のないスクリ
ーン上の像をそれぞれ示している。

第１図において、第１の投射光学系の第１レンズ３の
光軸、第２レンズ４の光軸、第２の投射光学系６の光
軸、ライトバルブ２の法線およびスクリーン７の法線
は、同一平面上にある。

第１図において光源１は、放物面の反射鏡付のキセノ
ンランプまたはメタルハイドランプが用いられており、
ライトバルブ２は液晶に格子状の電極を配置して各画素
の透過率を制御できるようにしたものが用いられてい
る。

前記第１の投射光学系の第１レンズ３と第２レンズ４
は互いに角度δだけ傾き、第１レンズ３の像側焦平面と
第２レンズ４の物側焦平面の交線がほぼＺ軸上を通るよ
うに配置される。中間像面５と第２の投射光学系６とス
クリーン７とは各々の延長面が同一直線上で交わるよう
に配置されている。

光源１より出た光はライトバルブ２にほぼ平行に到達
してこれを照明する。したがってライトバルブ２に対し
て光線はほぼ同一の入射角で入り、ライトバルブ２の全
面で、均一な明るさとコントラストを得ることができ
る。ライトバルブ２の像は、互いに傾いた第１レンズ３
と第２レンズ４により台形歪のある中間像を中間像面５
に結像する。第５図に示したように、第１レンズ９の像
側焦平面と第２レンズ10の主平面の交線を含むＺ軸に平
行な面と、中間像面11との交線をｇとする。この交線ｇ
と前述の第２投射光学系６の物側焦点を通り第２の投射
光学系６に平行な面と中間像面５の交線ｇ′とを第３図
のように一致させると、第３図に示すように台形に歪ん
だ中間像ABCDは第２の投射光学系６により、第４図のよ
うに台形歪のない像ABCDとしてスクリーン７に結像され
る。

第１図における第１の投射光学系の第１レンズ３、第
２レンズ４は、第10図のように角度φだけ傾いた組合せ
レンズにより構成し、収差の補正を行うことができる。

スクリーン７は、背面投射型テレビジョン等に使用さ
れているリアスクリーンを使用することができる。これ
は拡散剤入り樹脂基材にレンチキュラーレンズおよびフ
レネルレンズのシートを組み合わせて、配光特性を良好
にしているものである。しかし、本発明のように斜めに
投射する場合は、スクリーン７に投射された光束がその
延長方向へ透過しないように、第11図に一部を拡大表示
するように、プリズムの全反射を用いて、入射される光
束をスクリーン７の前面ほぼ直角方向に向かわせるシー
トを、レンチキュラーレンズのシートと組み合わせて、
配光特性を斜め投射に対して良好にしたスクリーンを用
いることが望ましい。これらの具体的構成に関しては後
述する。

第12図は背面投射表示装置の構成の実施例を示すもの
で、上述した構成の投射光学ユニット39からの光束を、
第１のミラー40と第２のミラー41により反射させてスク
リーン７に斜めに入射させることにより、キャビネット
38の厚みＤを薄くすることができる。

第６図は第１投射光学系の第２レンズを負のレンズに
した実施例を示すもので、こうすることにより第６図に
示すようにレンズ間隔をf1/cosφ_１−f2/cosφ_２と短く
でき、システムをコンパクトにすることができる。第５
図に示した第１の投射光学系の前記実施例と同様に、第
１投射光学系の第１レンズ13の像側焦平面と第２レンズ
14の主平面の交線を含むＺ軸に平行な面と中間像面15と
の交線をｇとすると、前記実施例と同じように台形歪の
ない像としてスクリーン７に結像される。

第７図は第１の投射光学系を、互いに平行でない２つ
のレンズ２組で構成したもので、こうすることにより各
レンズの傾きが少なくてすみ、容易に良好な結像が得ら
れる。すなわち第１の投射光学系の第１レンズ17と第２
レンズ18は互いに角度δ_１だけ傾き、第１レンズ17の像
側焦平面と第２レンズ18の物側焦平面の交線がほぼＺ軸
上にあるように配置し、第１の投射光学系の第３レンズ
20と第４レンズ21は互いに角度δ_２傾き、第３レンズ20
の像側焦平面と第４レンズ21の物側焦平面の交線がほぼ
Ｚ軸上にあるように配置する。さらに、第２の中間像面
22と第２の投射光学系６とスクリーン７を各々の延長面
が同一直線上で交わるように配置する。

この場合のライトバルブ16の像は、第１の投射光学系
の第１レンズ17と第２レンズ18により、第１中間像面19
に台形歪のある像として結像し、第１中間像は第１の投
射光学系の第３レンズ20と第４レンズ21により、第２中
間像面22に台形歪のある第２中間像として結像する。第
７図に示されるように第１の投射光学系の第１レンズ17
の像側焦平面と第２レンズ18の主平面の交線をg₁とす
る。このg₁を含みＺ軸に平行な面と、第１の投射光学系
の第３レンズ20の主平面との交線をg₂とする。第１の投
射光学系の第３レンズ20の像側焦平面とＺ軸が交わる点
およびg₂を含む面と、第４レンズ21の主平面との交線を
含みＺ軸に平行な面と第２の中間像面22との交線をｇと
する。第２の投射光学系６の物側焦平面と第２の中間像
面22との交線ｇ′とｇとを第３図に示したように一致さ
せると、第３図のように台形に歪んだ第２中間像は、第
２の投射光学系６により第４図のように台形歪のない像
としてスクリーン７に結像される。

第８図は第１の投射光学系を、互いに平行でない２つ
のレンズ２組で構成した他の実施例である。第１投射光
学系の第２レンズ25を負のレンズにすることにより、図
示のようにレンズ間隔をf1/cosφ_１−f2/cosφ_２と短く
でき、システムをコンパクトにすることができる。なお
同図中23はライトバルブ、24は第１投射系の第１レン
ズ、26は第１中間像面、27は第３レンズ、28は第４レン
ズ、29は第２中間像面を示す。

さらに第９図は第１の投射光学系を、互いに平行でな
い２つのレンズ２組で構成した他の実施例である。第１
投射光学系の第４レンズ35を負のレンズにすることによ
り、図示のようにレンズ間隔をf3/cosφ_３−f4/cosφ_４
と短くでき、システムをコンパクトにすることができ
る。なお同図中30はライトバルブ、31は第１投射系の第
１レンズ、32は同第２レンズ、33は第１中間像面、34は
第３レンズ、36は第２中間像面を示す。

したがって上記各実施例によれば、第１の投射光学手
段により台形歪のある中間像をつくり、第２の投射光学
手段により台形歪のない画像を作る斜め投射型表示装置
において、第１の投射光学手段を互いに平行でない少な
くとも２つのレンズを使用することにより、光変調手段
をほぼ平行光で照明することができ、全画面に対して明
るさ、コントラストのむらを少なくすることができる。
また、第１の投射光学系を互いに平行でない２つのレン
ズを２組以上で構成することにより各レンズの傾きの少
ない、すなわち収差の少ない結像性能の良好な投射表示
装置を提供することができる。

さらに、キャビネットに組み込んで背面投射型表示装
置とするとき、斜み投射によりキャビネットの容積、特
に奥行きを大幅に低減させることが可能となり、コンパ
クトな表示装置を提供することができる。

上記の投射光学系によれば、ライトバルブにほぼ一定
な入射角で照明することができるため、明るさにむらの
少ない斜め投射の表示装置を提供することができるが、
スクリーン上での解像度は、第21図のスポットダイアグ
ラム図に示すように縦方向にバラツキがでる。

そこで本発明においては、前記斜め投射光学系内に絞
り機構を配置することにより上記問題点の解決を図って
いる。

第22図は上記絞り機構を配置した斜め投射光学系の配
置図を示しており、第23図（Ａ）〜（Ｃ）は絞りの形状
例を示している。

第22図において、第１の投射光学系の第１レンズ80の
の光軸、第２レンズ81の光軸、第３レンズ82の光軸、第
４レンズ83の光軸、絞り機構84の絞軸、第２の投影光学
系85の光軸、ライトバルブ86の法線及びスクリーン７の
法線は、同一平面上にある。87は第１中間像面、88は第
２中間像面を示す。

第22図において光源１は、放物面の反射鏡付きキセノ
ンランプまたはメタルハイドランプで、ライトバルブ86
は液晶に格子状の電極を配置して各画素の透過率を制御
できるようにしたもので、絞り機構84は第23図に示す形
状のものが使用される。

第１の投射光学系の第１レンズ80と第２レンズ81は互
いに角度δ１だけ傾き、第１レンズ80の像側焦平面と第
２レンズ81物側焦平面の交線がＺ軸上にあるように配置
し、第１レンズ80および第２レンズ81の焦平面がＺ軸上
で交わる位置に絞り機構を配置し、第１の投射光学系の
第３レンズ82と第４レンズ83は互いに角度δ２傾き、第
３レンズ82の像側焦平面と第４レンズ83の物側焦平面の
交線がほぼＺ軸上にあるように配置する。さらに、第２
中間像面88と第２投射光学系85とスクリーン７を各々の
延長面が同一線上で交わるように配置される。

光源１より出た光は、ライトバルブ86をほぼ平行に照
明し、ライトバルブ86の全面で、均一な明るさとコント
ラストが得られる。ライトバルブ86の像は、第１の投射
光学系の第１レンズ80と第２レンズ81と第23図（Ａ）に
示す形状の絞り機構を通って、第１中間像面87に台形歪
のある像として結像し、第１の中間像は第１の投射光学
系の第３レンズ82と第４レンズ83により、第２中間像面
88に台形歪のある第２の中間像として結像し、第２中間
像面88は、第２の投射光学系85により台形歪のない像と
してスクリーン７に結像する。このときのスクリーン７
上のスポットダイアグラム図は第24図に示すようにバラ
ツキが少なくなり、解像度が良好で、光量的にも明る
く、むらの少ない画像が得られる。

第23図（Ｂ）に示す絞り機構84はひし形形状になって
おり、上記の実施例と同様に、第22図に示す光源１より
出た光束について、解像度の悪い縦方向の光束を絞り機
構84によって取り除き、解像度の良い横方向の光束をよ
り多く通すようにすることで、解像度を上げるために絞
り機構84で絞っても光量の損失の少ない画像が得られ
る。すなわち、第22図に示す光学系に第23図（Ｂ）に示
す形状のものを使用しても、スクリーン７上のスポット
ダイアグラム図は第24図に示すように、バラツキが少な
くなり、解像度が良好で、明るくむらの少ない画像が得
られる。

第23図（Ｃ）に示す絞り機構84はひし形形状の各内角
にアールを持たせたものであり、これによっても上記実
施例と同様に解像度が良好で、明るくむらの少ない画像
が得られる。

以上述べたように、斜め投射光学系において、高解像
度を得るために絞り機構によって絞っても、明るさの損
失が少ない状態で解像度を上げることができる。

そして更にキャビネットに組み込んだ背面投射型表示
装置とするとき、斜め投射によりキャビネットの容積、
特に奥行きを大幅に低減することが可能となり、コンパ
クトで、解像度が良好で、明るさの損失の少ない表示装
置を提供することができる。

なお、上記の絞り機構の位置は、第22図に示した例に
限定されるわけではなく、互いに平行でない２つの正レ
ンズの焦平面とによる交線がＺ軸と交わる位置であれ
ば、本実施例で示したのと同様の効果が得られる。

すなわち、第22図に示した第３レンズ82の焦平面と第
４レンズ83の焦平面との交線がＺ軸と交わる位置でも、
第１図に示した第１レンズ３の焦平面と第２レンズ４と
の交線がＺ軸と交わる位置でもよい。

さらには第８図に示した第３レンズ27の焦平面と第２
レンズ28の焦平面との交線がＺ軸と交わる位置、あるい
は第９図に示した第１レンズ31の焦平面と第２レンズ32
の焦平面との交線がＺ軸と交わる位置でもよい。

次に照明装置について説明する。

第25図は本発明における照明装置の第１の実施例の主
要断面図を示している。

すなわち、ランプ53を回転放物面形状のリフレクタ54
の焦点位置に配置し、リフレクタ54の前方に、光学素子
70を配置する。光学素子70の一方の面は、中央部が凹面
70aとされており周辺が光軸に垂直、他方は光軸に垂直
な面を持っている。光学素子70の凹面70aは中心部ほど
傾斜が大きくなっている。

したがってランプ53から出射する光束は、リフレクタ
54で反射され、光学素子70に入射する。ここで、リフレ
クタ54の中心Ｆ部からは光束は出てこない。また、ラン
プ53の発光部が非常に小さければ、ランプ53から出た光
束は、放物面形状のリフレクタ54により完全平行光とし
て出射するが、ランプ53の発光部は数ミリ程度の大きさ
があるため、リフレクタ54の焦点位置よりずれた位置か
ら出射した光束は、０〜数度の角度でリフレクタ54から
出射する。

このように光束は０〜数度の角度成分をもっているの
で、リフレクタ54からある距離離れると、中心部にもあ
る角度をもった光束がくるようになる。ここに光学素子
70を配置すると、光学素子70の凹面70aにより屈折し、
ある角度成分の光束は光軸に平行になる。光学素子70に
入射した光束のうち、周辺部に入射したものは、そのま
ま光学素子70を通り抜ける。それ故、光学素子70を通り
抜けた光束は、中心部から周辺部まで平行成分をもつよ
うになる。

これにより、第31図のように中心部が低く、中抜け状
態の光束分布を持った照明であったものを、第26図のよ
うに中心部においても十分平行光束が得られるような照
明装置とすることができる。

第27図は第２の実施例を示す主要断面図であり、前記
第１実施例と同様に、ランプ53、リフレクタ54、光学素
子70を配置している。この実施例における光学素子70
は、一方の面は、中央部が凸面70bであり、周辺が光軸
に垂直、他方は光軸に垂直な面を持っている。光学素子
70の凸面70bは中心部ほど傾斜が大きくなっている。

したがって前記第１実施例と同様に、中央付近に０〜
数度の角度成分をもって入射した光束は、光学素子70の
凸面70bにより屈折し、ある角度成分の光束は光軸に平
行になる。光学素子70に入射した光束のうち、周辺部に
入射したものは、そのまま光学素子70を通り抜ける。そ
れ故、光学素子70を通り抜けた光束は、中心部から周辺
部まで平行成分をもつようになる。

これにより前記第１実施例と同様、第31図のように中
心部が低く中抜け状態の光束分布を持った照明を、第26
図のように中心部においても十分平行光束が得られるよ
うな照明装置とすることができる。

第28図は第３の実施例を示す主要断面図であり、前記
第１実施例と同様に、ランプ53、リフレクタ54、光学素
子70を配置している。この実施例における光学素子70
は、両面の中央部が凹面70a,70bとされ、周辺が光軸に
垂直な面を持っている。光学素子70の凹面部70a,70bは
中心部に近いほど傾斜が大きくなっている。

したがって前記第１実施例と同様に、中央付近に０〜
数度の角度成分をもって入射した光束は、光学素子70の
凹面70aにより屈折し、さらに反対側の凹面70aにより屈
折し、ある角度成分の光束は光軸に平行になる。光学素
子70に入射した光束のうち、周辺部に入射したものは、
そのまま光学素子70を通り抜ける。それ故、光学素子70
を通り抜けた光束は、中心部から周辺部まで平行成分を
もつようになる。

これにより前記実施例と同様に、第31図のように中心
部が低く中抜け状態の光束分布を持った照明を、第26図
のように中心部においても十分平行光束が得られるよう
な照明装置とすることができる。

第29図は第４の実施例を示す主要断面図であり、前記
第１実施例と同様に、ランプ53、リフレクタ54、光学素
子70を配置している。光学素子70の一方の面は、中央部
が凹面70aであり、そこからリフレクタ54の直径と同じ
径までは光軸に垂直、さらにそこから周辺部70cは肉厚
が次第に薄くなっている。また他方の面は光軸に垂直に
なっている。光学素子70の凹面70aは中心部ほど傾斜が
大きくなっている。

したがって前記第１実施例と同様に、中央付近に０〜
数度の角度成分をもって入射した光束は、光学素子70の
凹面70aにより屈折し、ある角度成分の光束は光軸に平
行になる。光学素子70の周辺部70cに入射した光束のう
ち、外側にある角度をもった成分は、光軸に平行になる
か、あるいはわずかばかり内側を向く。中間部の光軸に
垂直な面に入射したものは、そのまま光学素子70を通り
抜ける。それ故、光学素子70を通り抜けた光束は、中心
部から周辺部まで平行、あるいは平行に近い成分をもつ
ようになる。

これにより前記第１実施例と同様に、第31図のように
中心部が低く中抜け状態の光束分布を持った照明を、第
26図のように中心部においても十分平行光束が得られる
ような照明装置とすることができる。またこれまで利用
できなかった周辺の光である第31図におけるＫ部の光も
利用できるようになる。

したがって上記実施例によれば、ランプから出射した
光束は、リフレクタにより反射して、中心部付近は平行
成分がない状態で出射するが、リフレクタの前方に上述
の光学素子を置くことにより、中心部にも平行成分を十
分持った光束とすることができる。

また第４実施例に示したように、周辺の限られた部分
の肉厚が薄くなっている光学素子を使用すれば、これま
で利用できなかった周辺の光も、利用できるようにな
る。

それ故、この照明装置を使用して、液晶等で形成され
る画像をスクリーンに投射すれば、明るさがほぼ均一な
拡大投射画像を得ることができる。

第32図〜第37図は上記光学素子70の他の実施例を示し
ている。

第32図に示す実施例は、断面円錐形の２個の光学素子
70d,70eをその底面が向き合うように配置されたもの
で、例えばリフレクタ54の形状が放物面の場合、ランプ
53から出射する光束がリフレクタ54により略平行光束と
なって１番目の円錐形光学素子70dに入射し、屈折によ
って光束の光軸に対して上下逆になる位置に２番目の円
錐形光学素子70eを配置し、この円錐形光学素子70eの屈
折によって略平行光束Ａとなる。これにより第31図にお
ける従来例のように中心部が暗い光束分布であったもの
が第32図に示す２個の円錐形光学素子70d,70eにより、
第37図に示す光束分布となる。

第33図に示す実施例は、上記２個の光学素子70d,70e
のうち出射側の光学素子70eを凹形円錐面70fを有する構
造としたものである。こうしたことにより例えばリフレ
クタ54の形状が放物面の場合、ランプ53から出射した光
束は、放物面形状のリフレクタ54により略平行光束とな
って１番目の円錐形光学素子70dに入射し、屈折する。
屈折により光束は、最初平行成分のなかった光軸付近に
もくるようになる。この位置に２番目の円錐形光学素子
70eを配置することにより該素子70eの屈折によって略平
行光束Ｂとなる。これにより第31図における従来例の光
束分布が円錐形光学素子70d,70eにより、第37図に示す
光束分布となる。

第34図は第32図の２個の光学素子70d,70eを一体とし
たものに相当し、第35図は第33図の２個の光学素子70d,
70eを一体化したものに相当するもので、いずれの場合
も第32図、第33図と同じ作用が得られる。

さらに第36図は入射側の円錐形光学素子70dの入射面
を凹曲面70gとしたもので、出射側の円錐形光学素子70e
は第32図ものと同じである。

上記実施例によっても、ランプから出射しリフレクタ
で反射した光束を前記円錐形光学素子に前記光束を通す
ことにより、分布の略均一な平行光束を得ることができ
る。このことにより、この略平行光束を光源として画像
をスクリーンに投射した場合、明るさの略均一な画像と
なる。

次に反射ミラーについて説明する。

第38図（Ａ），（Ｂ）は、本発明における反射ミラー
の断面図を示しており、第39図示のような画像に歪みが
あるとき、各矢印方向に歪補正を行うものである。

第41図に本発明の投射型表示装置の一例を示すよう
に、投射光学ユニット39と、第１の反射ミラー40aと、
第２の反射ミラー41aと、第３の反射ミラー42aと、スク
リーン７からなり、投射光学ユニット39は第１図に示し
たように、光源１と、ライトバルブ２と、第１の投射光
学系の第１レンズ３と、第２レンズ４と、第２の投射光
学系６から構成された投射型表示装置が用いられる。前
記投射光学ユニット39の作用は第１図についての説明を
援用する。

第39図に示すように、反射ミラー（総称して40aを代
表符号で示す）が平面のときにおきるスクリーン７上の
画像56の歪曲（第43図）において、の方向の歪曲補正
が必要な場合、歪曲補正の必要な部分にあたる反射ミラ
ー40aの部分を第38図（ａ）に示すように、部分的に凸
曲面にすることで、第40図に示すように歪曲のない画像
56′として、スクリーン７に結像させることができる。
また、の方向の歪曲補正が必要な場合、歪曲補正の必
要な部分にあたる反射ミラー40aの部分を第38図（ｂ）
に示すように、部分的に凹曲面にすることで、第40図に
示すように歪曲のない画像56′として、スクリーン７に
結像させることができる。

すなわち、画像56を拡大したい部分は第38図（ａ）に
示すように反射ミラー40aを凸方向の曲面にし、画像56
を縮小したい部分は第38図（ｂ）に示すように反射ミラ
ー40aを凹方向の曲面にする。

上記実施例で説明した投射型表示装置において、スク
リーン７上の画像56が必要な拡大率がなくスクリーンサ
イズより小さくなった場合、反射ミラー40aの全面を第3
8図（ａ）に示す凸曲面の円柱形状にすることで、第40
図に示すように歪曲のない画像56′としてスクリーン７
に結像させることができる。また、スクリーンサイズよ
り大きくなった場合、反射ミラー40aの全面を第38図
（ｂ）に示す凹曲面の円柱形状にすることで、第40図に
示すように歪曲のない画像56′としてスクリーン７に結
像させることができる。

なお上記反射ミラーの構造は上記光学系中の複数枚の
反射ミラー40a〜42aのうちの１枚乃至それ以上に適用す
ることができる。

以上のようにこの実施例によれば、斜め投射光学系を
使用した投射型表示装置において、斜め投射光学系の投
射レンズや反射ミラーによって生じる画像の歪曲や必要
な拡大率が得られない場合でも、少なくとも１枚以上の
反射ミラーによって修正が容易にできる。このとき、投
射距離が部分的に変わるが投射光学系の焦点深度が深い
のでピントのずれは実用上問題がない。

次にスクリーンについて説明する。

第45図は本発明の一実施例による透過型スクリーンを
背面投射型プロジェクタに適用した場合の斜視図を示し
ている。

投射光学ユニット39から出射された光は反射ミラー7
2,73,74,75によってその光路が変換され、透過型スクリ
ーン７の背面に投影される。この透過型スクリーン７は
ポリカーボネイト（PC）またはポリメチルメタアクリレ
ート（PMMA）を材料として形成されており、第44図
（ａ）および（ｂ）はこの透過型スクリーン７の斜視図
および一部拡大断面図を示している。スクリーン７の光
入射面には微小プリズムアレー7aが形成され、光出射面
にはレンチキュラー7bが形成されている。微小プリズム
アレー7aは断面が三角形状に形成され、各プリズムのプ
リズム頂角は後述するように40゜以上50゜以下に形成さ
れている。

本実施例による透過型スクリーン７は、そのプリズム
頂角が従来より小さく形成されているため、プリズムア
レー7aから洩れる光量は減少し、入射した光量の損失は
低減されている。そのため、従来のように光洩れやゴー
ストは発生しない。本実施例による上記透過型スクリー
ン７によって光洩れやゴーストの発生が有効に抑止され
ることは以下の解析により確認された。この解析結果を
第46図〜第48図を参照して説明する。

第46図はこの解析に用いた透過型スクリーンの一部拡
大断面図を示し、この透過型スクリーンを上述した背面
投射型プロジェクタに適用する。なお、同図において第
44図と同一部分については同符号を用いている。この第
46図において、ミラー75によって反射してきた投射光学
ユニット39からの光はプリズムアレー7aで屈折し、レン
チキュラー7bから出射される。またミラー75によって、
反射してきた光はプリズムアレー7aでその一部が洩れ、
この洩れ光が光出射面7bで全反射する。全反射した光は
３〜４個のプリズムを通過した後、臨界角αを越えて入
射したプリズムにおいて全反射し、レンチキュラー7bを
介して観察側に出射する。

このような透過型スクリーン７において、スクリーン
の各点における光洩れ量の割合を計算した結果を第47図
および第48図の各グラフに示している。各グラフの横軸
はスクリーン位置〔mm〕を示している。位置０はフレネ
ルレンズ7aの縦方向の中心点を表し、他の数値はこの中
心点から上下各方向に移動した距離を表している。ま
た、各グラフの縦軸はミラー75から反射してきた光のう
ちの何割が洩れるかという洩れ率〔％〕を示している。
また、各グラフにおいて、実線で示される直線上のプロ
ットはプリズムアレーのプリズム頂角が50゜の場合の解
析結果を表し、点線で示される直線上のプロットはプリ
ズム頂角が47゜、プロットのみはプリズム頂角が45゜の
場合の解析結果を表している。また、各グラフにおける
光入射角、つまり、入射光がスクリーン面の法線方向に
対して傾いている角度は中心において60゜である。

第47図は透過型スクリーン７の大きさを40インチ、投
射距離Ｌを1200mmとした場合の計算結果を示し、第48図
は透過型スクリーン７の大きさを50インチ、投射距離Ｌ
を1850mmとした場合の計算結果を示している。各グラフ
から、プリズム頂角の角度が小さくなると光洩れ率が低
下することが理解される。すなわち、第47図の40インチ
画面の場合には、プリズム頂角が50゜のときには、スク
リーンの中心点から約210mm下がった位置で光洩れが発
生し始め、中心から遠ざかるにつれて光洩れ率は増加
し、中心から300mm下がったスクリーン端位置で光洩れ
率は約24％に達する。また、プリズム頂角が47゜のとき
には、スクリーンの中心点から約270mm下がった位置で
光洩れが発生し始め、300mm下がったスクリーン端位置
で光洩れ率はほぼ10％になる。また、プリズム頂角が45
゜のときには、中心から300mm下がったスクリーン端位
置で極く僅かな光洩れを生じるのみである。40インチ画
面の場合にはスクリーン７の縦方向の長さは600mmにな
り、中心から上下各方向に300mmの範囲内で測定評価を
行えばよい。また、第45図から理解されるようにスクリ
ーン７の下側の方が光入射角が小さくなるため、上記解
析結果に示されるようにスクリーンの中心から下側の方
が光洩れ率が高くなる。このため、スクリーン中心から
下側の画面位置で評価を行えば足りることになる。

したがって、第48図の50インチ画面の場合には、スク
リーン７の縦方向の長さは750mmになるため、スクリー
ンの中心から下方向に375mmの範囲内で解析評価を行え
ばよい。この場合、プリズム頂角が50゜のときには、中
心から約290mm下がった位置で光洩れが発生し始め、中
心から375mm下がったスクリーン端位置で光洩れ率は約2
2％に達する。また、プリズム頂角が47゜のときには、
中心から約360mm下がったスクリーン位置で光洩れが発
生し始め、中心から375mm下がったスクリーン端位置で
光洩れ率は約５％になる。また、プリズム頂角が45゜の
ときには、光洩れは発生しない。

このようにプリズムアレーのプリズム頂角が50゜から
減っていくと、光洩れ率は次第に低くなっていく。プリ
ズム頂角が45゜まで小さくなると、40インチ、50インチ
画面では光洩れをほとんど生じなくなる。また、プリズ
ム頂角が50゜のときの光洩れ率は40インチ画面のスクリ
ーン端位置で24％になるが、この程度の洩れであれば、
実用上差し障りのないものと考えられる。しかし、プリ
ズム頂角が小さくなると頂角部が欠けやすくなり、ま
た、樹脂成型時における成型性が悪くなるため、最低で
も40゜以上であることが望ましい。そこで、プリズムア
レー7aの各プリズム頂角を40゜以上50゜以下の範囲で形
成することにより、光洩れやゴーストの発生を有効に防
止することができる。

また、本実施例による投射光学ユニット39の光源には
指向性の高いキセノンランプが用いられている。このた
め、第49図に示されるように、洩れた光の光路を人間の
眼59の視野Ａから外すことにより、ゴーストは人間に視
認されないようになる。

以上のようにこの実施例によれば、微小プリズムアレ
ーの各プリズム頂角を40度以上50度以下に設定し、プリ
ズム頂角は小さくなっていることにより、プリズムアレ
ーから洩れる光量が減少し、入射した光量の損失が低減
される。したがって、この透過型スクリーンによれば、
ゴーストや光洩れがなくなり、明るい高品質な画像を得
ることが可能になる。

一方、この種のライトバルブを用いた従来の背面投射
型表示装置は薄型化を行うために第52図に示すように、
スクリーン７面に対して入射角αを持たせていた。この
ときの入射角αは60゜以下である。スクリーン７に投射
光90を入射させる最終の反射ミラー91をスクリーン７と
平行に配置していた。

しかし、上記従来のディスプレイ型の背面投射による
表示装置では、スクリーン７への入射角αが60゜以下の
ために、スクリーン７と最終の反射ミラー91の高さ方向
で重なり部分ができ、部屋の電灯等による外光92は第53
図に示すように、例えば入射角θ_１が60゜の場合、約1
5.43゜の出射角θ_３′となってスクリーン７を透過して
反射ミラー91により反射されて第54図に示すように、約
15.43゜の入射角θ_３′でスクリーンに入射し、出射角
θ_１が60゜となってスクリーンを透過するために、第55
図に示すようにスクリーン７面の斜線部分が白っぽく光
ったりして、コントラスト低下を生じさせる問題があ
る。

上記の点に対処するため、図56に示すようにスクリー
ン７に対して入射角αは60゜以上の角度をもたせること
で、スクリーン７と、最終の反射ミラー91の高さ方向の
重なり部分を少なくさせるので、外光92は第53図に示す
ように、例えば入射角θ_１が60゜の場合、約15.43゜の
出射角θ_３′となってスクリーン７を透過して反射ミラ
ー91により反射されてもスクリーン７に入射しなくな
る。

したがって上記実施例によれば、斜め投射光学系を使
用した投射型表示装置において、外光によるスクリーン
の白っぽく光る部分を削減できるので、コントラスト低
下を低減し、高コントラストな映像が得られる。

産業上の利用可能性 明るさにむらがなく、均一な明るさの画面が得られ、
画像の歪みや光もれのない投射型表示装置、特にキャビ
ネットタイプの表示装置に利用するに適する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平3−233395 (32)優先日 平成３年９月12日(1991．9．12) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平3−236336 (32)優先日 平成３年９月17日(1991．9．17) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平3−281500 (32)優先日 平成３年10月28日(1991．10．28) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平4−35231 (32)優先日 平成４年２月21日(1992．2．21) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 谷本 晃仁 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−79037（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−59226（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−109481（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−275831（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−45987（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 21/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、光変調手段と、光変調手段で生成
   される像をスクリーンに投射する投射手段と、スクリー
   ンとを有し、前記投射手段で投射される投射光の中心光
   軸が前記スクリーンに対して斜めに入射する投射型表示
   装置において、前記投射手段は、前記光変調手段で生成
   された像を台形歪のある中間像に変換する第１の投射光
   学手段と、前記台形歪のある中間像をスクリーン上で台
   形歪のない像に変換する第２の投射光学手段と、光変調
   すなわち画質改善を行う絞り機構とで構成され、前記第
   １の投射光学手段は、前記中間像が形成される位置より
   も前記光変調手段側に配置された互いに平行でない２つ
   のレンズを少なくとも１組有し、前記絞り機構を投射光
   学手段内に設けたことを特徴とする投射型表示装置。
2. 【請求項２】前記絞り機構の位置を前記平行でない２つ
   のレンズの焦平面による前記交線と前記２つのレンズの
   主点とを結ぶ直線との交点付近に配置した請求の範囲第
   １項記載の投射型表示装置。
3. 【請求項３】前記絞り機構の形状を扁平状にした請求の
   範囲第１項または第２項に記載の投射型表示装置。