JP3284246B2 - 投写型液晶表示装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変調装置により形成し
た画像を投写レンズにより拡大投写する投写型の表示装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、図８にその光学系の縦断面図を
示すような構成の投写型液晶表示装置が知られていた。
図８において、光源１からの出射光は、光分離手段３４
によって赤，緑，青の３原色に分離後、３原色に対応す
る３枚の液晶ライトバルブ５によって各色毎に画像を形
成する。液晶ライトバルブ５を出射した各色光は、光合
成手段３６によって合成されて、投写レンズ１０によっ
て前方のスクリーン１１上に拡大投写される。この時、
３枚の液晶ライトバルブ５の光軸、即ち３枚の液晶ライ
トバルブ５の中心での法線は、投写レンズ１０の光軸、
即ち投写レンズ１０の中心線に一致しており、スクリー
ン１１上での投写画像は、投写レンズ１０の光軸との交
点を中心とした長方形を成す。

【０００３】照明光学系においては、一般に光源と集光
レンズの光軸を一致させることで効率を高め明るい表示
をしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】液晶表示装置に用いる
液晶ライトバルブにおいて、ツイステッドネマティック
（ＴＮ）モードが最も代表的な表示方式である。ＴＮモ
ードの液晶ライトバルブを用いる場合、図７において、
液晶分子を挟む上下の基板２９，３０に、実線の矢印３
１，３２で示す方向に液晶分子を配列させるためのラビ
ングを施すと、信号電圧に応じて液晶分子が立ち上がる
際に、破線の矢印３３方向に明視方向が存在する。一
方、投写レンズは、液晶ライトバルブが小型の場合はテ
レセントリックな構造を採ることができるが、液晶ライ
トバルブが高精細になって大型になると、特にハイビジ
ョン対応型の高精細で横長のアスペクトレシオを持つ液
晶ライトバルブになると、テレセントリックの投写レン
ズは大型化と高価格化の点で採用が難しい。従って、投
写レンズの各画角における主光線に角度を付けて投写レ
ンズを小型化するのが一般的である。

【０００５】図８に示す従来技術の場合、上記明視方向
と上記主光線の方向とが、液晶ライトバルブ５の中心線
に対して、片側は同一方向となるが片側は反対方向とな
る。投写画像のコントラストレシオは、信号電圧が液晶
ライトバルブの面内で一定であれば、この明視方向と主
光線の方向とが一致に近づくほど向上する。従って、こ
の従来技術の場合、投写画像におけるコントラストレシ
オの面内ばらつきが非常に大きい。それに付随して投写
画像のカラーユニフォーミティーも劣化する。また、液
晶ライトバルブの中心部分での主光線が液晶ライトバル
ブに対して直交するため、投写画像の中心部分において
十分なコントラストレシオを確保するためには、液晶ラ
イトバルブの中心部分での明視方向を主光線方向に近づ
ける必要があり、高い信号電圧の印加が必要であるため
駆動回路に負担がかかる。

【０００６】さらに、信号電圧に補正をかけることによ
って、コントラストレシオの面内ばらつきの抑制および
カラーユニフォーミティーの向上を計っても、捻れ角が
９０゜であるＴＮモードにおいては、明視方向と主光線
の方向とが反対方向となる片側については補正不可能で
あるという問題も有する。

【０００７】照明光学系において、光源の光軸と投写レ
ンズの光軸が一致している場合に対して、ずらす場合に
は装置の厚みが増し、大型化するといった問題があっ
た。

【０００８】本発明の投写型液晶表示装置は、以上の課
題を解決するもので、その目的とするところは、高精細
で大型の液晶ライトバルブ、特にハイビジョン対応型の
液晶ライトバルブを使用する表示装置において、比較的
低い信号電圧で面内均一の十分なコントラストレシオと
良好なカラーユニフォーミティーを実現しうる投写型液
晶表示装置を提供することにある。さらには薄く小型の
照明光学系を提供し、投写型液晶表示装置としても、薄
型化、小型化の効果を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、光源と、前記光源からの光を変調する液
晶変調手段と、前記液晶変調手段によって変調された光
を投写する投写レンズとを有する投写型液晶表示装置で
あって、前記光源の光軸と前記液晶変調手段の中心軸と
はほぼ一致しており、前記投写レンズはズーム可能とさ
れており、前記投写レンズの光軸は、前記光源の光軸に
対して平行にずれており、前記投写レンズの光軸は、前
記液晶変調手段の１つの辺に一致していることを特徴と
する。

【００１０】また、本発明は、上記の投写型液晶表示装
置において、前記光源と前記液晶変調手段との間には、
集光レンズが配置されており、前記集光レンズの光軸と
前記投写レンズの光軸とはほぼ一致していることを特徴
とする。

【００１１】また、本発明は、光源と、前記光源からの
光を変調する変調手段と、前記変調手段によって変調さ
れた光を投写する投写レンズとを有する投写型表示装置
であって、前記光源の光軸と前記変調手段の中心軸とは
ほぼ一致しており、前記投写レンズはズーム可能とされ
ており、前記投写レンズの光軸は、前記光源の光軸に対
して平行にずれており、前記投写レンズの光軸は、前記
変調手段の１つの辺に一致していることを特徴とする。

【００１２】また、本発明は、上記の投写型表示装置に
おいて、前記光源と前記変調手段との間には、集光レン
ズが配置されており、前記集光レンズの光軸と前記投写
レンズの光軸とはほぼ一致していることを特徴とする。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）以下に本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の実施例を表す光学系の平面図
である。

【００１４】光源１からの出射光は、ダイクロイックミ
ラー２，３の波長選択特性によって赤，緑，青の３原色
に分離される。例えば、ダイクロイックミラー２によっ
て赤色光（約６００ｎｍ以上の光）を反射し、その他の
光を透過する。また、ダイクロイックミラー３によって
緑色光（約５００ｎｍから約６００ｎｍの間の光）を反
射し、残りの光である青色光（約５００ｎｍ以下の光）
を透過する。即ち、赤，緑，青の３原色に分離されるわ
けである。

【００１５】分離された各原色光のうち、赤色光は反射
ミラー４によって反射されて直進し、緑，青色光はその
まま直進して、それぞれ対応する液晶ライトバルブ５
Ｒ，５Ｇ，５Ｂに入射する。入射した各原色光は、液晶
ライトバルブ５Ｒ，５Ｇ，５Ｂおよびその前後に配置さ
れる偏光板６，７によって、各原色毎に対応した光変
調、即ち、印加される信号電圧の大きさによって各原色
毎に画像を形成し出射される。

【００１６】その後、赤色光はダイクロイックミラー８
を透過後ダイクロイックミラー９によって反射され、緑
色光はダイクロイックミラー８および９によって反射さ
れ、青色光は反射ミラー４によって反射された後ダイク
ロイックミラー９を透過して、３原色光は再び合成され
る。合成された３原色光は、投写レンズ１０によって前
方のスクリーン１１上に拡大画像として投写される。な
お、ダイクロイックミラー２，３，８，９の波長選択特
性を変えることによって、上記光分離および光合成は別
の配列を採ることも可能である。

【００１７】図２は、図１の実施例の縦断面図であり、
液晶ライトバルブの上下方向に投写レンズを平行偏心し
た構造を表し、ダイクロイックミラー等は省略してあ
る。液晶ライトバルブ５は、その中心が光源１の光軸１
２にほぼ一致しており、投写レンズ１０の光軸１３は、
液晶ライトバルブ５のアパーチャーの上端まで平行偏心
されている。

【００１８】この時の液晶ライトバルブ５の一部分の拡
大図が図３である。液晶ライトバルブ５の明視方向１４
は、図７に示し前述したように液晶を挟む上下の基板の
ラビング方向との関係により決まる。図３において、液
晶ライトバルブ５の明視方向１４が液晶ライトバルブ５
と成す角θと、主光線１５が液晶ライトバルブ５と成す
角ζは、ともに０゜から９０゜の間の値を全アパーチャ
ーエリアに対して有する。

【００１９】従って、明視方向１４の立体角に広がる明
視エリア１６と、投写レンズ１０のＦナンバーによって
飲み込まれる主光線１５方向の立体角のエリア１７との
共有エリア１８（図中のハッチング部）が増大する。即
ち、液晶ライトバルブ５と偏光板６，７がノーマリーブ
ラックモードの場合は白の照度が大きくなり、ノーマリ
ーホワイトモードの場合は黒の照度が小さくなるため、
従来技術と同じ大きさの信号電圧の印加によって、より
大きなコントラストレシオを達成することができる。

【００２０】逆に、従来レベルのコントラストレシオを
確保するためには、より小さな信号電圧の印加によって
液晶ライトバルブ５を駆動することが可能であり、駆動
回路への負担が小さい。

【００２１】また、全アパーチャーエリアに対して、θ
とζが０゜から９０゜の間の値を採ることから、その角
度の差の全アパーチャーエリアにおけるばらつきが従来
技術と比較して極めて小さいため、コントラストレシオ
の面内ばらつきを極めて小さくすることができ、付随し
てカラーユニフォーミティーも向上できる。

【００２２】さらに、このθとζとの関係は、信号電圧
に補正をかけることによるコントラストレシオのばらつ
きの補正を、アパーチャーエリア全域に渡って可能にす
るため、投写画像品質は一層向上するものである。

【００２３】図４は、物体１９と像２０との結像関係を
示すもので、平行偏心量の大きさによって、図４
（ａ），図４（ｂ），図４（ｃ）のように大きく３通り
に分類できる。上述のように液晶ライトバルブ５のアパ
ーチャーの上端まで投写レンズ１０を平行偏心した場合
の結像関係は図４（ａ）で表され、それよりも平行偏心
量が小さい場合は図４（ｂ）、平行偏心量が大きい場合
は図４（ｃ）で表される。

【００２４】平行偏心量の大きさは、図４に示す結像関
係、即ち、投写画像状態に影響するのみならず、投写レ
ンズ１０の大きさ，性能，価格にも影響する。また、所
望するコントラストレシオの大きさ，ばらつきと、信号
電圧の大きさ，補正量との関係にも影響する。従って、
これらのバランスを考慮して、平行偏心量を選択する必
要がある。

【００２５】特に、投写レンズがズームレンズである場
合に、図４（ａ）のように物体１９の端点と投写レンズ
１０の光軸を一致させておくと、ズームをして投写画像
を拡大縮小する場合にスクリーン上の画像の一辺が固定
されて拡大縮小されるため、スクリーンの移動が必要な
くなるという利点がある。

【００２６】図５は、本発明の参考例における照明光学
系を表す図である。上述の実施例によって最適化された
液晶ライトバルブ５と投写レンズ１０の位置関係に、如
何にして光源１からの光を効率的に入射させるかが、投
写画像の明るさを決めるポイントである。そのために
は、光源１からの光をどれだけ投写レンズ１０の主光線
の傾角方向に指向させることができるかが重要である。

【００２７】投写レンズ１０の入射瞳（各主光線の交
点）２４と液晶ライトバルブ５の中心を結んだ線上に光
源１を設けた実施例である。即ち、光源１の光軸上に投
写レンズ１０の入射瞳２４を設け、同じ光軸上の液晶ラ
イトバルブ５の直前に、焦点が投写レンズ１０の入射瞳
位置に存在する集光レンズＡ２５を設けたものである。
この構成によると、光源１から平行光が集光レンズＡ２
５に入射すれば、理想的には１００％の光が入射瞳２４
に集光するため、光源１からの出射光を最も効率的に投
写レンズ１０に飲み込ませることができ、明るい画像表
示が可能となる。上記実施例においては、液晶ライトバ
ルブの上下方向に投写レンズを平行偏心させた場合につ
いて述べたが、投写型液晶表示装置の使用状態や使用目
的によって左右方向のあおり投写が必要な場合は、左右
方向に明視方向を有する液晶ライトバルブを用い、液晶
ライトバルブの明視方向側である左右方向に投写レンズ
を平行偏心させることによって、上記実施例と同様の作
用を実現できる。

【００２８】また、液晶ライトバルブが高精細で大型に
なるほど、特にハイビジョン対応型の高精細で横長のア
スペクトレシオを有する液晶ライトバルブの場合は、上
述した投写レンズの主光線の傾角がより大きくなる方向
であるため、本発明はより一層有効となるものである。

【００２９】図５の参考例においては、光源１の光軸が
投写レンズ１０の光軸に対して斜めに交差することにな
り、この構成では厚さを必要とし、光源１と液晶ライト
バルブ５の距離が大きければ大きいほど厚みも増加す
る。

【００３０】このように厚みを増加させずに、明るい投
写型表示装置を達成したのが本発明であり、図６（ａ）
から図６（ｃ）にその構成図を示す。それぞれ集光レン
ズの光軸と、光源１の光軸が平行偏心されている。

【００３１】例えば光源１と液晶ライトバルブ５の距離
が４００ｍｍで、投写レンズ１０の主光線の最大傾角が
１０度であるとすると、３５ｍｍの厚さの減少を可能と
するものである。

【００３２】図６（ａ）は、液晶ライトバルブ５の中心
を光源１の光軸に概ね一致させ、投写レンズ１０の光軸
と集光レンズＢ２６の光軸とを概ね一致させ、さらに光
源１の光軸と投写レンズ１０の光軸を平行偏心した実施
例である。つまり光源１と集光レンズＢ２６の光軸がず
れているのである。この時、集光レンズＢ２６の焦点位
置を投写レンズ１０の入射瞳２４に一致させると、光源
１から平行光が集光レンズＢ２６に入射すれば、やはり
理想的には１００％の光が入射瞳２４に集光するため、
光源１からの出射光を最も効率的に投写レンズ１０に飲
み込ませることができる一例である。

【００３３】この集光レンズＢ２６は光軸が投写レンズ
１０とほぼ一致するために、元の大きさは図５（ａ）の
集光レンズＡ２５に対して直径で１．３から１．５倍の
大きさとなり、それを切り出して作成される。

【００３４】図６（ｂ）は、やはり本発明の照明光学系
の一実施例であって、図６（ａ）と同様の作用を低価格
で達成するための実施例である。同一の屈折率の硝材か
らなる平凸レンズ２７とプリズム２８をやはり同一の屈
折率を有する光学接着剤で貼り合わせ、図６（ａ）にお
ける集光レンズＢ２６と同じ形状を形成するものであ
る。平凸レンズ２７とプリズム２８と光学接着剤とは同
一の屈折率であるため、この疑似集光レンズは図６
（ａ）における集光レンズＢ２６と同等の性能を有し、
光源１，液晶ライトバルブ５，投写レンズ１０を図６
（ａ）と同様に配置することによって、所望の目的を達
成するものである。

【００３５】図６（ｃ）も、本発明の照明光学系の一実
施例であって、集光レンズ部分のみの斜視図で、シリン
ドリカルレンズの組合せにより同様な効果を達成するた
めの実施例である。第１のシリンドリカルレンズ４０に
よって上下方向に集光し、次に第２のシリンドリカルレ
ンズ４１により水平方向の集光を行なう。

【００３６】図では別体であるがやはり貼合わすこと
と、投写レンズ１０の入射瞳２４に集光することで同様
な効果が生じる。

【００３７】なお、集光レンズはガラス等の凸レンズば
かりでなく、プラスティク等の樹脂成型でも良いし、フ
レネルレンズで置き換えてもよい。また光源１は理想的
には平行光であるが、実際には拡散光となるため、各集
光レンズの焦点距離を光源１の配光特性に応じて変える
ことにより、光源１からの出射光の使用効率は一層向上
するものである。

【００３８】本発明のこれらの照明光学系を、前述の発
明の投写型液晶表示装置に用いたり、単板のカラー液晶
ライトバルブを用いた投写型液晶表示装置に用いること
で、明るく効率のよい画像表示を行なうとともに、薄型
化、小型化の投写型液晶表示装置を構成できる。

【００３９】さらにスライドプロジェクタなどの光源の
光を投写して表示を行なう投写型表示装置全般に対して
も同様な効果を有する。

【００４０】

【発明の効果】本発明の投写型液晶表示装置は、以上説
明したように、液晶変調装置の明視方向の立体角に広が
る明視エリアと投写レンズのFナンバーによってのみこ
まれる主光線方向の立体角のエリアとの共有エリアが増
大するため、より小さな信号電圧の印可によって高いコ
ントラストレシオの確保が可能となる。

【００４１】また、液晶変調装置の全アパーチャーエリ
アにおいて、液晶変調装置の明視方向と投写レンズによ
って決まる主光線の傾角方向との差が極めて小さいた
め、コントラストレシオ及びカラーのユニフォーミティ
ーが際立って改善される。これらは、液晶変調装置が大
型になるほど有効であるため、ハイビジョン対応型の投
写型液晶表示装置における効果は絶大なものである。

【００４２】さらに、本発明の投写型液晶表示装置、投
写型表示装置は、光源と投写レンズの光軸を平行にずら
して構成することで、明るく効率の良い照明系であると
ともに、照明光学系の小型化をもたらし、平面配置の場
合には厚さを薄くすることができ、投写型表示装置にお
いても明るさを高めるとともに、小型化、薄型化という
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を表す光学系の平面図であ
る。

【図２】 図１の実施例の縦断面図である。

【図３】 図２における液晶ライトバルブの一部分の拡
大図である。

【図４】 物体と像との結像の関係図である。

【図５】 本発明の実施例における照明光学系を表す構
成図である。

【図６】 本発明の実施例における他の照明光学系を表
す構成図である。

【図７】 液晶ライトバルブのラビング方向と明視方向
との関係図である。

【図８】 従来の投写型液晶表示装置を表す光学系の縦
断面図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２，３ ダイクロイックミラー ４ 反射ミラー ５ 液晶ライトバルブ ６，７ 偏光板 ８，９ ダイクロイックミラー １０ 投写レンズ １１ スクリーン １４ 明視方向 １５ 主光線 １９ 物体 ２０ 像 ２４ 入射瞳 ２５ 集光レンズＡ ２６ 集光レンズＢ ２７ 平凸レンズ ２８ プリズム ３４ 光分離手段 ３６ 光合成手段 ４０ 第１のシリンドリカルレンズ ４１ 第２のシリンドリカルレンズ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−259131（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−52585（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−71285（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−70482（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−141337（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−141338（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−113432（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−143740（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−66816（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−30978（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 21/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、前記光源からの光を変調する液
   晶変調手段と、前記液晶変調手段によって変調された光
   を投写する投写レンズとを有する投写型液晶表示装置で
   あって、 前記光源の光軸と前記液晶変調手段の中心軸とはほぼ一
   致しており、前記投写レンズはズーム可能とされており、 前記投写レンズの光軸は、前記光源の光軸に対して平行
   にずれており、前記投写レンズの光軸は、前記液晶変調手段の１つの辺
   に一致している ことを特徴とする投写型液晶表示装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の投写型液晶表示装置に
   おいて、前記光源と前記液晶変調手段との間には、集光レンズが
   配置されており、 前記集光レンズの光軸と前記投写レンズの光軸とはほぼ
   一致している ことを特徴とする投写型液晶表示装置。
3. 【請求項３】 光源と、前記光源からの光を変調する変
   調手段と、前記変調手段によって変調された光を投写す
   る投写レンズとを有する投写型表示装置であって、 前記光源の光軸と前記変調手段の中心軸とはほぼ一致し
   ており、前記投写レンズはズーム可能とされており、 前記投写レンズの光軸は、前記光源の光軸に対して平行
   にずれており、前記投写レンズの光軸は、前記変調手段の１つの辺に一
   致している ことを特徴とする投写型表示装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の投写型表示装置におい
   て、前記光源と前記変調手段との間には、集光レンズが配置
   されており、 前記集光レンズの光軸と前記投写レンズの光軸とはほぼ
   一致している ことを特徴とする投写型表示装置。