JPH0365912A - 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よ
りよく知られている。

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
光は平面もクー９．１０を介して、緑の光は直進して、
青の光は平面５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ドリンク
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
日、１９．２ｏ、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
イック多層膜が蒸着されている。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。

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
低いという問題がある。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原色の色光に分解する色分解手段と、映像信
号に応じた光学像が形成され前記色分解手段からの各出
力光がそれぞれ照射される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つに合成するための多
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、前記色分解手段から出射する３原
色の色光のうちいずれか２つの色光を対応する２つの前
記ライトバルブに導く２つの光伝達手段とを備え、前記
色分解手段は各々が交差しないように配置された２枚の
平板型グイクロイック毛う−からなり、前記光伝達手段
は入力端に配置される入力部集束レンズは、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り曲げる入力側平面主う−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
路を折り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り曲げ
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ことができ、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、本発明の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、４３．４４
は光伝達手段、４５．４６．４７はライトバルブ、４８
は光合成手段、５２は投写レンズである。

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から出射した光は２枚の平板型ダイクロイック
壽う−３９．４０＠Ｖ字状に配置した色分解手段３８に
より３原色の色光に分解される。まず、法線４１が光軸
３７と４５庫をなす角度で配置された平板型の青反射ダ
イクロイックミラー３９により青の色光が反射される。

次に法線４２が光軸３７と３５度をなす角度で配置され
た平板型の赤反射ダイクロイックミラー４０により赤の
色光が反射される。２枚の平板型グイクロイックミ・ク
ー３９．４ｏを透過した緑の色光は、色分解手段を直進
して緑のライトバルブ４６に入射する。色分解手段３８
により光路が折り曲げられた赤および青の色光は光伝達
手段４３．４４により赤および青のライトバルブ４５．
４７まで効率よく導かれる。

ライトバルブ４５．４６．４７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４５．４６．４７の出力光は
光合成手段４８により１つに合成されて、実質的に緑の
ライトバルブ４６の位置にカラー画像が合成される。光
合成手段４８は平板型の赤反射ダイクロイックミラー４
９と２分割された平板型の青反射ダイクロイックミラー
５０．５１をＸ字状に交差させた構成となっている。こ
のカラー画像は投写レンズ５２によりスクリーン（図示
せず）上に拡大投写される。

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
ために投写レンズ５２はテレセンドリンクレンズを用い
、投写レンズ５２のライトバルブ側の主光線がすべて光
軸３７と平行になるようにしている。

以下に、光伝達手段４３．４４の構成について説明する
。第２図は赤の光伝達手段４３の構成を示したもので、
色分解手段３８側から順に、入射部収束レンズ５３、入
射側平面ξクー５４、中央部収束レンズ５５、出力側平
面ごシー５６、出力部収束レンズ５７で構成される。入
力部収束レンズ５３と出力部収束レンズ５７とはいずれ
も平面５８．５９を中央部収束レンズ５５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
５５の焦点距離の２倍である。中央部収束レンメ５５は
両面６０．６１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５３と出力部収束レンズ５７とはそれ
らの焦点が共に中央部収束レンズ５５の中心６２の近傍
にくるように配置されている。光路を折り曲げるために
、入力側平面ミラー５４と出力側平面くシー５６が配置
されている。入力部収束レンズ５３と出力部収束レンズ
５７とを平凸レンズとし、平面５８．５９を中央部収束
レンズ５５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５５を両面６０．６１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５５
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４４も、平面ミラー５４．５６によって
光路を折り曲げる角度が異なるだけで、それ以外は赤の
光伝達手段４３と同一の構成である。

以下に、第２図に示した光伝達手段４３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５２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４３には次の
ような性質がある。

第１に、中央部収束レンズ５５の焦点距離と収束レンズ
５３．５５．５７の位置関係から、中央部収束レンズ５
５により入力部収束レンズ５３の中心６３付近にある物
体６４の実像６５は出力部収束レンズ５７の中心６６付
近に形成され、この物体６４と実像６５とは同じ大きさ
である。このため、入力部収束レンズ５３の任意の位置
から中央部収束レンズ５５の任意の位置に入射する光線
は必ず出力部収束レンズ５７に入射する。しかも、ライ
トバルブ４５．４６．４７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５３の焦゛点と出力部収束レ
ンズ５７の焦点とがともに中央部収束レンズ５５の中心
６２の近傍にあり、中央部収束レンズ５５の中心６２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５３の周辺に入射した光線は中央部収束レンズ５５
の中心６２をそのまま通過し、出力部収束レンズ５７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５３とにより、ランプ３１の発光体３５の
実像６８が中央部収束レンズ５５の中心６２付近に形成
される。

以上のことから、中央部収束レンズ５５の有効領域が実
像６８よりも大きければ、入力部収束レンズ５３に入射
した光はすべて出力部収束レンズ５７から出射し、光伝
達手段４３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５図に示す構成に比べて赤と
青の色光の利用効率が高くなり、最終的な装置の光出力
が改善される。

第３図かられかるように、ランプ３１の発光体３５の中
心３６から出て集光レンズ３２から出射する光線６７と
、出力部収束レンズ５７から出射する光線６９とは光軸
３７と平行であるので、投写レンズ５２の入力側の主光
線は赤、緑、青のいずれについても光軸３７と平行とな
る。投写レンズ５２がテレセントリックレンズであるの
で、ライトバルブ４５．４６．４７から出射した光は効
率よくスクリーン上に到達する。

ところで、第１図に示した構成の光合成手段４８に用い
るダイクロイックミラーは平板型とプリズム型とが考え
られるが、コストを考えれば平板型を使用したい。しか
し、平板型のダイクロイックミラー４９．５０．５１を
Ｘ字状に交差させた構成は次のような問題がある。まず
、交差部７０の像がスクリーン上にぼけて投写される場
合がある。これは平板型ダイクロイックくクー４９．５
０．５１のガラス基板厚を薄くすれば実用上問題はない
。また、スクリーン中心より投写レンズの瞳を、覗き込
んで、光源３（１１）発光体３５の虚像が正門ではなか
った場合には、この発光体３５の虚像の長手方向と交差
部７０を直交させることでスクリーン上での交差部７０
の像をより目立ちにくくすることができる。次に、第５
図に示したように色分解手段３８と光合成手段４８の両
方にＸ字状に交差した平板型グイクロイックビラ−を用
いた場合、２ケ所の交差部の相互作・用により、スクリ
ーン上に輝線を生じる。この輝線の問題を避けるために
、第１図に示す構成では色分解手段３８を２枚の平板型
ダイクロイックミラー３９．４０が交差しない構成とし
ている。

第１図に示すように色分解手段３８を構成すると、３原
色のいずれの色光についても光源３０からライトバルブ
４５．４６．４７までの光路長が第５図に示すＩＩＩｙ
、に比較して長くなる。しかし、光伝達手段４３．４４
を用いているので、赤および青の色光については光路長
の長短に関わらず収束レンズ５３．５５．５７を最適設
計することで光利用効率が改善できる。

色分解手段３８を直進する緑の色光については、平板型
の赤反射ダイクロイックミラー４０の法線４２と光軸３
７とのなす角を４５度以下として光路長の増分をできる
だけ短くして光利用効率の低下を抑えている。ここで、
光伝達手段４３．４４は２枚の平面ミラーにより光路を
自由に折り曲げられるので、色分解手段３８から出射す
る光の進行方向に関わらずに任意に配置することができ
る。

次に具体的な数値例を用いて説明する。

ライトバルブ４５．４６．４７の表示寸法が４０ａｎＸ
６０閣、投写レンズ５２が焦点距離１５０ｍｍ、明るさ
Ｆ２．５、入力部収束レンズ５３と出力部収束レンズ５
７とが焦点距離１３０ｍｍ、中央部収束レンズ５５が焦
点距離６５鵬である。第５図に示した構成の場合、赤の
ライトバルブ４５の直前の照度は色分解手段３８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４５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。青の色光についても同様に光利用効
率の改善が認められた。

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４３の入力部収束レンズ５３
と出力部収束レンズ５７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７１と出力部収束レンズ７２とは同一の両凸レンズ
で、曲率の小さい面７３．７４を中央部収束レンズ５５
に向けている。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５５に
向いた面７３．７４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７１と出力
部収束レンズ７２とを同一のレンズにするのがよい。

第２図および第４図に示した入力部収束レンズ５３．７
１、中央部収束レンズ５５、出力部収束レンズ５７．７
２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での諸収差の発生を抑制す
れば、光伝達手段内の光が拡がる事による損失を更に小
さくすることができる。

また、入力部収束レンズ５３．７１と出力部収束レンズ
５７．７２の少なくとも１つのレンズにフレネルレンズ
を用いればレンズが薄くなり、光学系全体が占める空間
がコンパクトになる。

第２図に示した構成では、入力部収束レンズ５３と出力
部収束レンズ５７とを同一の平凸レンズとし、３枚の収
束レンズ５３．５５．５７の焦点距離の関係と位置関係
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。

また、第１図に示した構成の各光路の色は特に上述のよ
うに設定する必要はなく、投写画像の白バランスを考え
て各光路の色を決定すればよい。

また、色分解手段３８における平板型のダイクロイック
ミラー３９．４０は必ずしも第１図に示したように配置
する必要はない。色分解手段がいかなる構成であっても
、色分解手段から出射する３原色の色光について、ある
１つの色光は対応するライトバルブに直接入射するよう
にし、他の２つの色光は光伝達手段を用いて対応するラ
イトバルブまで効率よくその光を導くことで、光路長の
長い部分での光の減衰を改善した光出力の大きい投写型
表示装置が構成できる。

第１図に示す構成ではテレセンドリンクの投写レンズ５
２を用いたが一般にテレセンドリンクの投写レンズは高
価である。そこで、ライトパルプ４５．４６．４７の入
射光側に近接してフィールドレンズを配置し、色分解手
段３８または光伝達手段４３．４４から出射する光を収
束させて、投写レンズ５２０入射瞳内に有効に入射させ
ることもできる。

第１図では、ライトバルブ４５．４６．４７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Φならライトバルブとして用いることができる。いず
れも、上述の実施例と同様の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
束レンズを組み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ぐので、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
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
成を示す構成図、第２図は第１図に示した投写型表示装
置で用いる光伝達手段の構成図、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構成
図、第５図は従来の投写型表示装置の構成を示す構成図
である。 ３０・・・・・・光源、３８・・・・・・色分解手段、
４３．４４・・・・・・光伝達手段、４５．４６．４７
・・・・・・ライトバルブ、４８・・・・・・光合成手
段、５２・・・・・・投写レンズ、５３・・・・・・入
力部収束レンズ、５４・・・・・・入力側平面ミラー、
５５・・・・・・中央部収束レンズ、５６・・・・・・
出力側平面ξラー、５７・・・・・・出力部収束レンズ
。

Claims (15)

【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原色の色光に分解する色分解手段と、
   映像信号に応じた光学像が形成され前記色分解手段から
   の各出力光がそれぞれ照射される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つに合成するた
   めの多層膜面を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、前記色分解手段から出射す
   る３原色の色光のうちいずれか２つの色光を対応する２
   つの前記ライトバルブに導く２つの光伝達手段とを備え
   、前記色分解手段は各々が交差しないように配置された
   ２枚の平板型ダイクロイックミラーからなり、前記光伝
   達手段は入力端に配置される入力部集束レンズと、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り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
   間の光路を折り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投写型表
   示装置。
2. （２）光源からの出射光と光伝達手段からの出射光とは
   平行光に近く、投写レンズはテレセントリックレンズで
   ある請求項（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、それらの焦点が共に前記中央部収束レンズの略中
   央にくるようにした請求項（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同一の
   レンズである請求項（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
   曲率の小さい面を中央部収束レンズに向けて配置した請
   求項（１）記載の投写型表示装置。
7. （７）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同一の平凸レンズであ
   る請求項（１）記載の投写型表示装置。
8. （８）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
   の非球面を含む請求項（１）記載の投写型表示装置。
9. （９）ライトバルブ入射光側にフィールドレンズを具備
   し、前記ライトバルブを透過した光が投写レンズの入射
   瞳内に入射するようにした請求項（１）記載の投写型表
   示装置。
10. （１０）入射側収束レンズと出射側収束レンズとの少な
    くとも１つのレンズがフレネルレンズである請求項（１
    ）記載の投写型表示装置。
11. （１１）色分解手段を直進する色光が光合成手段を直進
    するようにした請求項（１）記載の投写型表示装置。
12. （１２）色分解手段は各々が交差しないようにＶ字状に
    配置した２枚の平板型ダイクロイックミラーからなる請
    求項（１）記載の投写型表示装置。
13. （１３）色分解手段で光路が折り曲げられる２つの色光
    のうち一方の光軸の折り曲げ角が鋭角である請求項（１
    ）記載の投写型表示装置。
14. （１４）スクリーン中心より投写レンズの瞳を覗き込ん
    で、光源の発光体の虚像の長手方向と光合成手段の多層
    膜面の交差線とが略直交するようにした請求項（１）記
    載の投写型表示装置。
15. （１５）光合成手段はＸ字状に交差させた２枚の平板型
    ダイクロイックミラーからなる請求項（１）記載の投写
    型表示装置。