JPH03293615A - 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、液晶ライトバルブ上に形成された画像をスク
リーン上に拡大投写する投写型表示装置の高輝度化に関
するものである。

［従来の技術］ 第６図は従来の投写型表示装置の光学系の説明図である
。

図において、（１）は光源、（１２０）はランプ、（１
３０）は反射鏡、（２）は光源（１）から出射する照明
光束、（３）は液晶ライトバルブ、（８）、　（９）は
液晶ライトバルブの前後に配置された偏光板、（４）は
投写レンズ、（５）はスクリーン、（１０）はコンデン
サレンズである。

次に動作について説明する。

光源（１）はランプ（１２０）と反射鏡（１３０）から
成り、液晶ライトバルブ（３）に照明光束（２）を照射
する。ランプ（１２０）としては、例えばメタルハライ
ドランプ、キセノンランプ等の放電ランプや、ハロゲン
ランプ等が用いられる。また、反射鏡（１３０）の反射
面は、図中に一点鎖線で示す中心線（２０）に対して回
転対称な放物面であり、公知のように放物面の焦点位置
にランプ（１２０）の発光中心（１２１）を配置するこ
とにより、円形の断面形状を有する平行照明光束（２）
が得られる。液晶ライトバルブ（３）の面上には、後述
するように画像が表示され、画像の濃淡及び色に応じて
面内の透過率が変化する。液晶ライトバルブ（３）を透
過した光束はさらに投写レンズ（４）を透過して投写光
（１１０）となり、スクリーン（５）上に拡大結像され
鑑賞に供される。なお、コンデンサレンズ（１０）は、
照明光束を高効率で投写レンズに入射し高輝度の投写画
像を得るために設けられている。

次に、液晶ライトバルブ（３）の構成と動作について、
第７図により説明する。

液晶（６）は２枚のガラス基板（７）に挟まれ、さらに
両側に偏光板（８）、（９）を配している。電圧無印加
時ｖ＝０（第７図（ａ））においては、入射側偏光板（
８）を透過した直線偏光（２ａ）は、液晶（６）を透過
する際に液晶の旋光性によって偏光方向が９０″回転し
、入射側偏光板（８）と偏光軸が直交するように配され
た出射側偏光板（９）を透過する。一方、しきい値電圧
ｖｔｈ以上の電圧■を印加する（第７図（ｂ））と、液
晶の旋光性が小さくなって、透過側偏光板（９）を透過
する光量が電圧の増加に伴って減少する。この様な透過
率の制御作用を利用し、さらに２次元アレイ状に電極を
構成することにより、２次元の画像表示素子が形成でき
る。なお、上記液晶は旋光角が９０’のＴＮ（Ｔｗｉｓ
ｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶をノーマリ−ホワイトモ
ードで使用した例について説明した。液晶相の種類、旋
光角の大きさ等については公知のごとく、上記の他にも
変形例が知られているが、本発明の主題に直接関係しな
いので説明を省略する。

さらに、第２の従来装置として、第８図に３枚の液晶ラ
イトバルブを用いた装置の光学系を示す。図において、
（１）は光源であり、具体的にはメタルハライドランプ
、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色光を発生す
るランプ（１２０）と、回転対称な放物面の反射鏡（１
３０）から成る。（２）は光源（１）を出射する照明光
束であり、第１の従来例と同様に円形の断面形状を有す
る平行光束である。（１４Ｒ）　、　（１４Ｂ）は色分
離用ダイクロイックミラー、（１５Ｂ）、　（１５Ｇ）
は色合成用ダイクロイックミラー（１１）、　（１２）
はミラー、（３Ｒ）、　（３Ｇ）、　（３Ｂ）は液晶ラ
イトバルブ、（８Ｒ）、　（８Ｇ）、　（８Ｂ）は入射
側偏光板、（９Ｒ）、　（９Ｇ）、　（９Ｂ）は出射側
偏光板、（ＩＯＲ）　、　（ＩＯＣ）　、　（ＩＯＢ）
はコンデンサレンズである。

次に、第２の従来装置の動作について説明する。

照明光束（２）は、放物面反射鏡の焦点位置に置かれた
白色光源ランプ（１２０）を出射後、反射鏡（１３０）
で反射され、平行光束となって光源（１）を出射する。

ダイクロイックミラー（１４Ｒ）は赤色光を反射し青・
緑光を透過する。また、ダイクロイックミラー（１４Ｂ
）は青色光を反射し、緑色光を透過させる。従って、液
晶ライトバルブ（３Ｇ）、　（３Ｂ）、　（３Ｒ）には
、各々緑・青・赤の照明光束が照射される。

液晶ライトバルブ（３Ｇ）、　（３Ｂ）、　（３Ｒ）に
は、特に図示しない外部回路によって緑・青・赤の色光
に相当する画像が形成され、照射光をライトバルブ面内
で透過変調する。液晶ライトバルブ（３Ｇ）　、　（３
Ｂ）　。

（３Ｒ）の出射光は、青色光を反射するダイクロイック
ミラー（１５Ｂ）　、緑色光を反射するダイクロイック
ミラー（１５Ｇ）、及び反射ミラー（１２）によって合
成光束（１００）として投写レンズ（４）に入射し、投
写光束（１１０）としてスクリーン（５）上に結像され
、拡大されたカラー画像が鑑賞に供される。なお、コン
デンサレンズ（ＩＯＲ）、（ＩＯＣ）　、　　（ｉｏＢ
）は、各々赤・緑・青色光を高効率で投写レンズ（４）
に入射させるために用いられる。また、各液晶ライトバ
ルブ（３Ｒ）、　（３Ｇ）、　（３Ｂ）の構成及び動作
は、先に第７図で説明したものと同様である。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の投写型表示装置は、以上のように構成されている
ので、第９図に（ｄ）で示したように反射鏡（１３０）
で反射されないで前方に発散する光束は殆ど液晶ライト
バルブ（３）に入射せず、光束の損失を増やし高輝度化
を妨げる要因となっていた。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、放物面鏡で反射されずに前方へ発散することに
より発生していた照明光束の損失を防止し、より高輝度
な画像表示が実現できる投写型表示装置を提供するもの
である。

［課のを解決するための手段］ 本発明に係る投写型表示装置は、液晶ライトバルブの表
示面と略相似の矩形状照明光束を出射する光源を有し、
従来装置の問題点であった、照明光束が放物面鏡で反射
されずに前方へ発散することによる光束損失を防いでい
る。そのために、本発明の投写型表示装置の光源は、光
軸を共有し、かつ放物面の焦点と球面の曲率中心が共有
点となるように対向配置された放物面鏡と球面鏡を有し
、上記共有点位置にランプの発光中心が配置されている
。さらに、球面の一部に、液晶ライトバルブの表示面と
同一　もしくは略相似形状の矩形開口が形成されており
、該開口から断面形状が矩形の平行照明光束を出射する
。

［作用］ 上記の様に光軸を共有し、放物面の焦点と球面の曲率中
心が共有点となるように対向配置された放物面鏡と球面
鏡は、従来放物面鏡で反射されずに前方へ発散していた
光束の一部を前記矩形開口から平行光束として出射させ
、有効な照明光束とする作用がある。

［実施例］ 本発明を図に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１実施例の説明図である。

図において、（１２０）はランプ、（１３０）は放物面
鏡、（１４０）は球面鏡、（１４１）は球面鏡に設けら
れた矩形開口であり、図の２方向（照明光（２）の出射
方向）からみた場合、液晶ライトバルブ（３）の画像表
示領域と相似な矩形形状となっている。なお、放物面鏡
（１３０）の内面、及び球面鏡（１４０）の矩形開口（
１４１）以外の内面は反射鏡として作用するように、鏡
面仕上げされ、必要に応じて反射膜コーティングが施さ
れている。

光源（１）は上記のランプ（１２０）、放物面鏡（１３
０）　。

球面鏡（１４０）、矩形開口（１４１）により構成して
いる。それ以外の構成要素は、第１の従来例を示す第６
図と同様である。

次に実施例の動作を説明する。

放物面鏡（１３０）と球面鏡（１４０）は、放物面の焦
点と球面の曲率中心が共有点となるように対向配置され
ている。ランプ（１２０）はこの共有点位置に発光中心
（１２１）が位置するように配置されている。ランプ（
１２０）を出射した光線は、放物面鏡（１３０）で直接
反射されて、１点鎖線で示した中心線（２０）と平行な
光線として矩形開口（１４１）より出射するか、放物面
鏡（１４０）と球面鏡（１４１）との間で反射されて矩
形開口（１４１）より光軸（２０）に平行な光線として
出射する。この状況について、光源（１）の内部を詳細
に描いた第２図で説明する。

図において、斜線で示した放物面鏡（１３０）と球面鏡
（１４０）の内面が反射鏡として作用する部分であり、
破線で示した部分（１４１）が矩形開口部である。図中
には３本の代表的な光線（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）の
挙動を示している。光線（ａ）はランプ（１２０）を出
射後、放物面鏡（１３０）で反射され、矩形開口（１４
１）の端を通って出射する光線である。ランプ（１２０
）の発光中心（１２１）は、−点鎖線で示した光軸（２
０）に対して垂直な面で対向する放物面鏡（１３０）の
焦点と球面鏡（１４０）の曲率中心の共有点位置に置か
れているので、光線（ａ）は光軸（２０）に平行な照明
光線（２）となる。光線（ａ）よりも光軸（２０）に近
い点で放物面鏡（１３０）で反射される光線は、光線（
ａ）と同様に矩形開口（１４１）より平行照明光束とし
て出射する。光線（ｃ）は、矩形開口より高い位置で球
面鏡（１４０）に入射し、反射後共有点（ランプ（１２
０）の発光中心（１２１））を通って放物面鏡（１３０
）に入射し、反射後光軸（２０）と平行な光線として矩
形開口（１４１）より出射する。

以上の説明より明かなように、ランプ（１２０）から直
接矩形開口（１４１）内に入射する光線と、光線（ａ）
より高い位置で放物面鏡（１３０）に入射する光線（光
線（ｂ））以外の光線は、全て矩形開口（１４１）より
光軸（２０）に平行で、断面形状が矩形の照明光束（２
）として出射される。照明光束（２）はコンデンサレン
ズ（１０）を透過し、その直後に配置された液晶ライト
バルブ（３）に入射する。照明光束（２）は、液晶ライ
トバルブ（３）内の矩形表示領域の大きさにほぼ等しい
矩形形状光束として、照射されるよう矩形開口（１４１
）の大きさ及びコンデンサレンズ（１０）と液晶ライト
バルブ（３）の配置関係が設定されている。また、コン
デンサレンズ（１０）を省略した光学系では照明光束（
２）は平行光束のままで液晶ライトバルブ（３）に入射
するが、この場合は平行照明光束（２）の断面形状がほ
ぼ液晶ライトバルブの矩形表示領域と等しい寸法に設定
されている。第１図で、液晶ライトバルブ（３）の透過
光が、投写レンズ（４）を透過後、投写光（１１０）な
ってスクリーン（５）に拡大投写される点は従来装置と
変わりない。

次に、光源（１）の作成法について述べる。

まず第１に、矩形開口（１４１）は、球面鏡（１４０）
に設けられた孔であれば、開口からの不要な反射等が防
げるので好適である。放物面鏡（１３０）及び球面鏡（
１４０）は公知のようにＡｆｆｉ等の金属を成型または
切削するか、ガラス材を成型して作られる。ガラス製の
場合には、内面に反射コーティングを施すのが適当であ
る。液晶ライトバルブ（３）側に不要な赤外線・紫外線
が照射されるのを防ぐには、放物面鏡（１３０）に対し
て、可視光（例えば波長４００〜７００ｎｍ）のみを選
択的に反射するコーティングを施し、球面鏡（１４０）
の矩形開口（１４１）以外の部分を広帯域反射（例えば
、２００〜１１０００ｎの波長範囲で反射率９Ｃ％以上
）するコーティングを施しておけばよい。

第２に、矩形開口（１４１）は、透明ガラス材料で作成
された球面鏡（１４０）に部分的に設けられた透過領域
（窓領域）として、必ずしも物理的に孔を開けなくても
よい。この場合、矩形開口部（１４１）は反射コーティ
ングを施さず単なる透明ガラス窓としてもよいし、必要
に応じて可視光（波長４００〜７００ｎｍ）に対する無
反射コーティングを施してもよい。矩形開口（１４１）
以外の球面鏡（１４０’）の内面には、広帯域の反射コ
ーティング（例えば、２００〜１１０００ｎの波長範囲
で反射率９０％以上）を施すのが適当である。

また、矩形開口部（１４１）のコーティングに紫外線（
波長４００ｎｍ以下）・赤外線（波長７００ｎｍ以上）
の反射機能をもたせて、液晶ライトバルブ（３）への不
要スペクトルの照射を防いでもよい。

第３に、放物面鏡（１３０）と球面鏡（１４０）を互い
に対向させ、第２図に示したように外周部を溶着等の公
知の方法で接合してもよい。この場合、上記第２の構成
のように矩形開口（１４１）を透明ガラスとし、対向す
る放物面鏡と球面鏡の内部を公知の方法で気密封止し、
内部にＮ　ｘ　、　Ａ　ｒ等の不活性ガスを封入してお
けばランプ（１２０）の特に図示しない電極及び電極と
駆動回路をつなぐリード線の酸化を防げるので長寿命化
に有効である。第３図で、気密封止するための、放物面
及び球面（内面）の形状決定方法を説明する。第３図で
、下記０〜０式が成立する。

Ｘ、＋Ｘ、＊ｆ＋ｒ　　　　　　　−−−−■Ｙ、＝Ｙ
、　　　　　　　　　・・・・■Ｙ、”−４ｆＸ、　　
　　　　　　−−−−■ｒ”−（Ｘ＋−ｆ）”＋Ｙ＋”
　　　　　　　　　”　　”　　”　　”　　■但し、
ｘＩは放物面鏡の頂点からの深さ、ｘ２は球面鏡の頂点
からの深さ、Ｙｌは放物面鏡の開口の半径、Ｙｌは球面
鏡の開口の半径、ｆは放物面鏡の焦点距離、ｒは球面鏡
の曲率半径である。

放物面鏡のパラメータ（ｆ、Ｘ、、Ｙ、）が与えられて
いるとすると、■、■、■式よりＹ、　Ｘ２を消去する
ことにより■式が得られる。

ｒ２＝（Ｘ、＋ｆ）”　　　　　　　・−−−■ここで
ｒは正の値とするので、■式の解は、ｒ＝Ｘ、＋ｆ　　
　　　　　　　・・・・■となる。また、０式を０式に
用いると Ｘ２＝２ｆ　　　　　　　　　　・・・・■となる。０
式の半径ｒと、■式のＸ２、■式のＹｌというパラメー
タの球面鏡（１４０）を用いることにより、上記のよう
に外周部で接合され対向した放物面鏡及び球面鏡が得ら
れる。

［数値例］ ｆ＝１２．５ｍｍ、　Ｙ　、　＝４６．５＋ａｍ、　Ｘ
　＋　＝４３．２４５＋ｎｍなる放物面鏡を用いると、
■、■、■式より、球面鏡は、ｒ＝５５．７４５ｍｍ、
　Ｙｌ；４６．５ｍｍ、　Ｌ＝２５．０ｍｍとなる。

なお、第３図の右側には、球面鏡の平面図を示した。矩
形開口（１４１）は、平面図上で長辺Ｈ１短辺Ｖの寸法
を有している。Ｈ：ｖは液晶ライトバルブ（３）の有効
表示領域の長辺：短辺比にほぼ等しくなっている。

［他の実施例コ 次に、本発明の第２の実施例を第４図により説明する。

本実施例は、第２の従来例を示す第８図の光学系に第１
の実施例を示す第１図と同様の放物面鏡（１３０）、球
面鏡（１４０）、共有点位置に発光中心（１２１）が配
置されたランプ（１２０）、矩形開口（１４１）よりな
る光源（１）を適用した例である。第１の実施例と同様
に、矩形開口（１４１）から断面形状が矩形の照明光束
（２）が出射し、ダイクロイックミラー（１４Ｒ）以降
の光学系に入射する。また、液晶ライトバルブ（３Ｒ）
、　（３Ｇ）、　（３Ｂ）の有効表示領域の大きさと、
照射光束の寸法が略一致するように矩形開口（１４１）
の大きさ、及びコンデンサレンズ（１０）、液晶ライト
バルブ（３）の位置関係が設定される。

本例でも第１実施例と同様に、ランプ（１２０）から前
方に発散して損失となっていた光束の一部が平行照明光
束として有効利用され、高輝度化が実現できる利点は同
じである。なお、光源（１）以外は第２の従来例で説明
をしたので省略する。

本発明の各実施例は液晶ライトバルブとして透過型のも
のを使用しているが、反射型液晶ライトバルブを使用し
た装置も公知である。第５図に、本発明の光源（１）を
反射型液晶ライトバルブ（３）用いた光学系に適用した
第３の実施例を示す。

第１及び第２の実施例と同様に、放物面鏡（１３０）、
矩形開口（１４１）を有する球面鏡（１４０）、共有点
に発光中心（１２１）が配置されたランプ（１２０）か
らなる光源（１）から出射する矩形断面の照明光束（２
）は、偏光ビームスプリッタ（２００）で反射されて液
晶ライトバルブ（３）側に向かうＳ偏光の照明光となる
。反射型ライトバルブに入射した光束は、画素に電圧が
印加されていない場合には下側のガラス基板（７）に設
けられた反射鏡で反射されて液晶から出射する際に偏光
面が９０°回転するが、画素にしきい値以上の電圧Ｖが
印加されていると上記旋光作用が小さくなる。一方、液
晶ライトバルブの反射光は偏光ビームスプリッタ（２０
０）を透過後、投写レンズ（４）側に向かう。偏光ビー
ムスプリッタ（２００）はＰ偏光を透過し、これと偏光
面の直交するＳ偏光は反射する特性を有するので、液晶
ライトバルブの画素への印加電圧の強弱に応じて光束断
面内の透過率が変調されて画像情報となる。投写レンズ
（４）を出射した光は、従来例と同様にスクリーン（５
）上に拡大投写される。

以上述べた反射型ライトバルブを用いた実施例でも、透
過型の場合と同様に、液晶ライトバルブ（３）の画像表
示面は矩形であり、第１、第２実施例と同様に、光源（
１）の効果により高輝度化が可能である。以上の実施例
では液晶ライトバルブとして、液晶の旋光性を利用した
方式について説明した。このほかにも液晶の複屈折を電
気的に制御する方式、例えばＥ　ＣＢ　（ｅｌｅｃｔｒ
ｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｉｒｅｆｒｉ
ｎｇｅｎｃｅ）形等も公知であり、旋光性以外の光学的
表示メカニズムを持つ液晶ライトバルブを用いた投写型
表示装置にも、本発明が適用出来ることもちろんである
。また、ライトバルブの枚数も３枚に限らず３枚以上、
あるいは１〜２枚でも問題な（適用できる。

以上のことから明らかなように、本発明の主な特徴を列
記すると次のとおりである。

（１）矩形開口は、球面鏡の一部に設けられ、光軸方向
からみた形状が矩形孔であること。

（２）矩形開口は、球面鏡の一部に設けられた透明部で
あり、前記光軸方向からみた形状が矩形であること。

（３）放物面鏡、及び球面鏡は各々光軸に対して回転対
称であり、互いに外径が等しく、密閉構造となるよう対
向して貼合わせられていること。

［発明の効果］ 以上に詳述したように、本発明の投写型表示装置の光源
は、光軸を共有し、放物面の焦点と球面の曲率中心が共
有点となるように対向配置された放物面鏡と球面鏡の共
有点にランプの発光中心を配置し、球面鏡に矩形開口を
設けたので、従来放物面鏡で反射されずに前方発散光束
となっていた光束を矩形開口内に平行光束として入射さ
せることができる。この結果、高輝度な投写画像の投写
型表示装置が実現可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の説明図、第２図は本発
明に用いられる光源の詳細説明図、第３図は本発明の投
写型表示装置の光源を構成する、対向した放物面鏡及び
球面鏡の設計法及び矩形開口の形状を説明する図、第４
図は本発明の第２の実施例の説明図、第５図は本発明の
第３の実施例・の説明図、第６図は従来の投写型表示装
置の第１の構成図、第７図は液晶ライトバルブの動作原
理の説明図、第８図は従来の投写型表示装置の第２の構
成図、第９図は従来装置の問題点である光束損失の説明
図である。 図において、（３）、　（３Ｒ）、　（３Ｇ）、　（３
Ｂ）は液晶ライトバルブ、（４）は投写レンズ、（１）
は光源手段、（１２０）はランプ、（１３０）は放物面
鏡、（１４０）は球面鏡、（１４１）は矩形開口、（１
２１）は発光中心である。 なお、各図中同一符号は同一、または相当部分を示す。 第 図 ◆ り：〉〜′ 第 ３ 図 第 ワ 図 （ａ） （ｂ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 矩形領域に画像を形成する液晶ライトバルブと、該液晶
   ライトバルブに形成された画像を拡大投写する投写レン
   ズと、該ライトバルブを照明する光束を出射する光源手
   段よりなる光学系を有する投写型表示装置において、 前記光源手段は、ランプと、放物面鏡と、球面鏡と、該
   球面鏡の一部に形成された前記液晶ライトバルブの矩形
   領域と略相似形状の矩形開口より構成され、上記放物面
   鏡及び球面鏡は、光軸を共有し、かつ上記放物面鏡の焦
   点と球面の曲率中心が共有点となるように対向配置され
   、上記ランプの発光中心位置が該共有点位置に配置され
   、上記矩形開口から断面形状が矩形の光束を出射するこ
   とを特徴とする投写型表示装置。