JPH01243014A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、５ＩＤ８６
ダイジエスト第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Ｉ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
型の赤反射グイクロインクミラー６と２分割された平板
型の青反射グイクロイックミラ−７，８とをＸ字状に交
差させて配置したものである０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１）．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１
８．１９．２０．２１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に赤反射グイク
ロイック多層膜が、接合面２４．２５に青反射ダイクロ
イック多層膜が茎着されている。多層膜の交差部２６は
その影響がスクリーン上に現れないように非常に細くし
ている０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１Ｇとはグイクロイック
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、前記色分解手段から横方向に折曲
げられて出た光が入射する２つの光伝達手段と、前記色
分解手段を直進してきた光と２つの前記光伝達手段から
出射した光とがそれぞれ入射する３つのフィールドレン
ズと、前記フィールドレンズからの出射光がそれぞれ照
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
トパルプと、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、３
つの前記フィールド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。色分解手段からの出射光と２つの光伝達手段
からの出射光とはフィールドレンズにより投写レンズに
到達するようにしている。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、光伝達手段の内部で光が拡がることによる光利
用効率の低下を防ぐので、光利用効率を改善した投写型
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、３Ｂは色分解手段、３９．４０
は光伝達手段、４１，４２．４３はフィールドレンズ、
４４，４５．４６はライトバルブ、４７は光合成手段、
４日は投写レンズ、５７は入力部収束レンズ、５８は入
力側平面ミラー、５９は中央部収束レンズ、６０は出力
側平面ミラー、６１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４７とは第５図に示した従
来例の構成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３
３と、７ｔ％、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
である。

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、赤と青の光
は光伝達手段３９．４０に入射する。光伝達手段３９を
出た赤の光、色分解手段３８を出た緑の光、光伝達手段
４０を出た青の光はそれぞれフィールドレンズ４１．４
２．４３を通過した後に赤、緑、青のライトバルブ４４
゜４５．４６に入射する。ライトバルブ４４．４５゜４
６は透過型の液晶パネルであって、映像信号に応じてｉ
３過率の変化として光学像が形成される。

ライトバルブ４４．４５．４６からの出力光は光合成手
段４７により１つに合成されて、実質的にライトバルブ
４５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４８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４１，４２．４３は、ライトバルブ４
４，４５．４６の周辺部から出射する光を投写レンズ４
８に入射させるためのもので、平面４９，５０．５１を
ライトバルブ４４，４５．。

４６に向けた平凸レンズであり、それらの焦点が投写レ
ンズ４８の瞳５５の中心５６付近にくるようにしている
。レンズ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４８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り、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［１は赤の光伝達手段３９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５７と、
入力側平面ミラー５８と、中央部収束レンズ５９と、出
力側平面ミラー６０と、出力部収束レンズ６１とで構成
されている。入力部収束レンズ５７と出力部収束レンズ
６１とはいずれも平面６２．６３を中央部収束レンズ５
９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５９の焦点距離の２倍となっている。

中央部収束レンズ５９は両面６４．６５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５７と出力部
収束レンズ６１とはそれらの焦点がともに中央部収束レ
ンズ５９の中心６６の近傍にくるように配置されている
。光路を直角に折曲げるために、入力部収束レンズ５７
と中央部収束レンズ５９との間に入力端平面ミラー５８
が配置され、中央部収束レンズ５９と出力部収束レンズ
６１との間に出力側平面ミラー６０が配置されている。

入力部収束レンズ５７と出力部収束レンズ６１とを平凸
レンズとし、平面６２．６３を中央部収束レンズ５９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５９を両面６４．６５の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５９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４０は赤の光伝達
手段３９と同一の構成となっている。

以下に、第２図に示した光伝達手段３９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４８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３９には次の
ような性質がある。

第１に、収束レンズ５７，５９．６１の焦点距離の関係
と位置の関係から、中央部収束レンズ５９により入力部
収束レンズ５７の中心付近６７にある物体６８の実像６
９は出力部収束レンズ６１の中心付近７０にでき、この
物体６８と実像６９とは同じ大きさである。このため、
入力部収束レンズ５７の任意の位置から中央部収束レン
ズ５９の任意の位置に入射する光線は必ず出力部収束レ
ンズ６１に入射する。しかも、ライトバルブ４４゜４５
．４６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５７の焦点と出力部収束レン
ズ６１の焦点とがともに中央部収束レンズ５９の中心６
６の近傍にあり、中央部収束レンズ５９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５
７の周辺に入射した光線７１は中央部収束レンズ５９の
中心６６をそのまま通過し、出力部収束レンズ６１の周
辺を通過して、光軸３７と平行に出射する。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、
集光レンズ３２と入力部収束レンズ５７とにより、ラン
プ３１の発光体３５の実像７２が中央部収束レンズ５９
の中心６６に形成される。

以上のことから、中央部収束レンズ５９の有効領域が実
像７２よりも大きければ、入力部収束レンズ５７に入射
した光はすべて出力部収束レンズ６１から出射すること
になり、光伝達手段３９の内部では光が拡がることによ
る損失がないことがわかる。従って、第５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。

第３図かられかるように、５２１３１０発光体３５の中
心３６から出て集光レンズ３１から出射する光ｍ７１と
、出力部収束レンズ６１から出射する光線７３とは光軸
３７と平行であるので、これらの光線はフィールドレン
ズ４１．４２．４３の焦点に到達することになる。フィ
ールドレンズ４１．４２．４３の焦点が投写レンズ４８
の瞳５５の中心５６付近にくるようにしているので、ラ
ンプ３１の発光体３５の実像が赤、緑、青に分れて投写
レンズ４８の瞳５５の中心５６付近に形成される。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４４，４５．４６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
した光伝達手段は、入力部収束レンズ５７から出力部収
束レンズ６１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５８．６０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４０　ｍ　Ｘ　５　Ｑ　１ａ
１ｓ、投写レンズ４８が焦点距離１５０ｍｍ、明るさＦ
２．５、入力部収束レンズ５７と出力部収束レンズ６１
とが焦点距離１３０ｆｉ、中央部収束レンズ５９が焦点
距離６５鶴、フィールドレンズ４１，４２．４３が焦点
距離１７０ｍ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％であつたが、第１図に示した構成では、
赤のライトバルブ４４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、フィールドレンズの存無
があるものの、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３９の入力部収束レンズ５７
と出力部収束レンズ６１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７３と出力部収束レンズ７４とは同一の両凸レンズ
で、曲率の小さい而７５．７６を中央部収束レンズ５９
に向けている。

−ａ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５９に向いた面７５．
７６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７３と出力部収束レンズ７
４とを同一のレンズにするのがよい。また、第２図に示
した入力部収束レンズ５７．中央部収束レンズ５９゜出
力部収束レンズ６１の少な（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３９の諸
収差の発生を抑制すれば、光伝達手段３９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２図に示した構成では、入力部収束レンズ５７と出力
部収束レンズ６１とを同一の平凸レンズとし、３枚の収
束レンズ５７．５９．６１の焦点距離の関係と位置の関
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１緑、青の間の照度比などの最適化を図
ることもできる。

第１図に示した構成では、フィールドレンズ４１゜４２
．４３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４４，４５゜４６に向ける方が収差の点で有利で
ある。

第１図に示した構成で、フィールドレンズ４１゜４２．
４３、入力部収束レンズ５７、出力部収束レンズ６１の
３ｆｌ類のレンズのすべてまたは少なくとも２種類につ
いて同一のレンズとすることも可能である。こうすると
、レンズの種類が少なくなり量産時のコスト低減を図る
ことができる。

第１図では、ライトバルブ４４，４５．４６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図では光合成手段としてプリズム型のダイクロイ
ン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と同様に平板型のグイ
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路線図、第４
図は本発明の他の一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、
３９．４０・・・・・・光伝達手段、４１，４２．４３
・・・・・・フィールドレンズ、４４，４５．４６・旧
・・ライトバルブ、４７・・・・・・光合成手段、４８
・・・・・・投写レンズ、５７・・・・・・入力部収束
レンズ、５８・・・・・・入力側平面ミラー、５９・・
・・・・中央部収束レンズ、６ｏ・・・・・・出力側平
面ミラー、６１・・・・・・出力部収束レンズ。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名＼ 区　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ瀝 ＼ 区　　　　　　　　　　　　　　　　　　　寸【Ｎ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記色分解手段から横方向
   に折曲げられて出た光が入射する２つの光伝達手段と、
   前記色分解手段を直進してきた光と２つの前記光伝達手
   段から出射した光とがそれぞれ入射する３つのフィール
   ドレンズと、前記フィールドレンズからの出射光がそれ
   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、３つの前記フィールド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ことを特徴とする投写型表
   示装置。
2. （２）光源からの出射光と２つの光伝達手段からの出射
   光と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。
3. （３）入力部収束レンズの焦点距離と出力部収束レンズ
   の焦点距離とは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たことを特徴とする請求項（１）記
   載の投写型表示装置。
4. （４）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。
5. （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
   。
6. （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. （７）フィールドレンズは曲率の小さい面をライトバル
   ブ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。
8. （８）フィールドレンズは平面をライトバルブに向けた
   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。
9. （９）フィールドレンズと入力部収束レンズと出力部収
   束レンズのうち少なくとも２つ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。
10. （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
    レンズは少なくとも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。