JPH0427912A - 斜め投射光学系の照明装置 - 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） 本発明は斜め投射表示装置にか＼す、特にビデオ映像や
コンピュータ画像等を拡大して投射するに適する斜め投
射光学系の照明装置に関する。

（従来の技術） 近時、透過型または反射型ドツトマトリクス液晶等を用
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
の大型化を伴ない、実用上は４０インチ程度の大きさが
限度となるためそれ以上の画像を得たいという要望に応
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、製作のう
え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イスプレィ型の表
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号公報にもみられる
ように、透過型液晶パネルに光源から照明を与え、この
液晶パネルに表示される画像を投影レンズにより拡大し
て反射ミラーにより光路を変換させ、スクリーンの背面
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。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上記のようにライトバルブを用いてスクリ
ーンに拡大投射する表示装置を構成する場合、ライトバ
ルブにおける光の透過量が大巾に減少するためスクリー
ンへ到達する照明光量が著しく減少し、スクリーン上に
投影される画像が暗くなることは避は難い。さりとて照
明装置の光源の光量を増大してもその光を有効にスクリ
ーン上へ導くことができなければ効果を挙げることがで
きない。

特に、ライトバルブを用いた表示装置とする際のキャビ
ネットのスクリーンに対しての奥行き寸法を小さくする
ことを意図して第１３図に示すような斜め投射方式を採
用する場合には一層上記の点が問題となる。この光学系
は、照明装置１、ライトバルブ２、第１レンズ３、結像
面４、第２レンズ５、スクリーン６て構成され、第１レ
ンズ３と第２レンズ５とが「ハ」の字状に配置されて第
１レンズ３により結像面４に結像された画像を光軸７に
対する結像面４の傾斜とは反対側に傾斜して配置される
スクリーン６に斜め投射して拡大画像を得るようになさ
れたものであり、この場合第２レンズ５からスクリーン
６へ至る光路を反射ミラーにより折曲し、キャビネット
の前面にスクリーン６を設けてその背面に導くようにす
ることによりコンパクトな光学系として背面投射による
表示装置を得ることができる。

このような光学系を採用した場合、第１レンズ３と第２
レンズ５との光軸が角度を持ち、レンズに斜め入射とな
るため、照明装置１からの照明光に拡散光が多くなり、
スクリーン６へ到達させる光量の減少する率が高くなる
。

本発明はこれに鑑み、照明装置からの照明光の光量損失
を少なくしてスクリーンへ導くことができ、スクリーン
上の画像が暗くなることを防ぐことができる斜め投射光
学系の照明装置を提供することを目的としてなされたも
のである。

（課題を解決するための手段） 上記従来技術が有する問題点を解決する手段として本発
明は、照明手段により照明されるように配置されるライ
トバルブの面に対し所要角度傾斜して配置された第１レ
ンズと、この第１レンズの結像位置に配置された結像面
と、この結像面に対し所要角度傾斜して配置され前記第
１レンズにより生じた歪を矯正してスクリーンに所要の
角度をもって斜め投射する第２レンズとを有する光学系
であって、前記照明手段は光源とライトバルブとの間に
光源からの光を集光する集光レンズを備え、この集光レ
ンズはライトバルブと第１レンズとの間であって第１レ
ンズの物体面側焦点位置乃至その付近に焦点を有し、第
１レンズにおいて略平行ビームとして第２レンズに入光
するようにしたことを特徴とするものである。

（作　用） ライトバルブに作られる画像は、その背後にある照明手
段の光源からの光により集光レンズを通じて照明され、
第１レンズにより結像面に実像を結び、この像を第２レ
ンズにより拡大してスクリーンに斜め投射される。この
とき照明手段の光源から出る光は集光レンズにより集光
され、第１しンズの物体面側焦点位置付近に集光して第
１レンズに入光し、これにより第１レンズから出射する
光束は略平行ビームとなって第２レンズに入光する。こ
れにより第２レンズから出射する照明光束はスクリーン
の略全域の範囲に照射され、口径食が生じず、光源の光
を有効に利用することができる。

（実施例） 以下、本発明を第１図乃至第１２図に示す実施例を参照
して説明する。

第１図は本発明による斜め投射表示装置を移動可能な形
態とした場合の一実施例を示し、第２図はその縦断面を
示している。

この実施例では、奥行きＤが薄い箱形のキャビネット１
０を有し、このキャビネット１０内に投射光学系１１と
、キャビネット］０の前面に設けられた背面投射型のス
クリーン１２と、前記投射光学系１１からの出射光束を
前記スクリーン１２の背面に導くための第１．第２反射
ミラー１３゜１４とを備えている。

本発明において使用される投射光学系１１は、第３図（
Ａ）に透過型の場合を、第３図（Ｂ）に反射型の場合の
光学系を例示するように、照明装置］５、原画像を得る
手段としての一例のライトバルブ１６、第１レンズ１７
、結像面９および第２レンズ１９からなっている。

上記ライトバルブ１６は透過型または反射型のドツトマ
トリックス液晶を用いたもので、第１レンズ８の光軸２
０に対し所要の角度をもって傾斜して設置され、この第
１レンズ８によるライトバルブ７の画像を結像する位置
に前記光軸２０に対しライトバルブ７とは反対側に傾斜
して結像面１８が設置されている。

透過型の場合は、第３図（Ａ）のように第１レンズ１７
の光軸２０に対し結像面１８において屈曲する光軸２１
を有する第２レンズ１９が結像面１８を間にして配置さ
れ、第２レンズ１７と第２レンズ１９とは「ハ」の字状
配置とされている。

この第２レンズ１９を通じ結像面１８の結像を拡大して
結像面１８とは反対側に傾斜するスクリーン１２に斜め
方向から拡大投射するようになっている。また、反射型
の場合は、第３図（Ｂ）のように結像面１８を反射ミラ
ー（第３図（Ｃ）に−部を拡大示）とし、その反射光路
上に第２レンズ１９が配置される。なお透過型において
用いられる結像面１８は、例えば第４図（Ａ）に一部を
拡大して示すように、横方向に長く奥行き方向には幅狭
な微小反射面２２．２２・・・が縦方向に多数配列され
た構造の反射手段とされており、第１レンズ１７からの
光が微小反射面２２．２２・・・で反射して第２レンズ
１７に向かうように形成されている。このような反射手
段を結像面とすれば、光量損失が少なくて好ましいが、
スクリーン１２の面積がさほど大きくない場合（拡大率
が小さい場合）や照明装置１５の光量が大きい場合には
透過型スクリーンを用いてもよい。

照明装置１５は、光源２３と、この光源２３が焦点位置
におかれる抛物面または楕円面の反射板２４と、光源２
３とライトバルブ１６との間に設置された集光レンズ２
５とからなっており、この集光レンズ２５は前記第１レ
ンズ１７の物体面側の焦点２６乃至はその付近に焦点２
７を有している。すなわちこの照明装置１５の照明光路
と第１、第２レンズ１７．１９との関係は第５図のよう
になっている。照明装置１５の反射板２４で反射されて
平行光とされた光源２３からの光は集光レンズ２５に入
り、この集光レンズ２５から出射する光束はライトバル
ブ１６の全域を包含し、第１レンズ１７の物体面側の焦
点２６位置の近傍に焦点２７を持ち、その後拡散して第
１レンズ１７に入光する。この第１レンズ１７を通って
出光する照明光束２８は結像面１８を内包する略平行ビ
ームとなり、第２レンズ１９に入射し、この第２レンズ
１９で屈折されてその像空間側の焦点２９付近で集光し
たのちスクリーン１２の全域を包含する領域に照射され
る。

スクリーン１２は、このスクリーン１２の背面から斜め
（例えば入射角６０°）に投射される光束がその延長方
向へ透過しないよう、第４図（Ｂ）に一部を拡大示する
ように、入射される光束をスクリーン１２の前面はソ直
角方向に向かわせるようにするプリズム全反射スクリー
ンを用いることが望ましい。

上記の投射光学系１１を幾何光学的にみると、第１レン
ズ１７側は第６図に示すように、ライトバルブ１６、結
像面１８は第１レンズ１７の結像位置ＡＩ、Ａ２におか
れ、ライトバルブ１６の延長線３０と結像面１８の延長
線３１が、第１レンズ１７の中心を通りかつ光軸２０に
直角な線３２上の０点で交わる。このとき拡大率ｍ。は
、ｍ　　＝ｆ／　＜Ｚ　　　ｆ）−ＣＸ２　　ｆ）／ｆ
一χ２／ｘ１ である。これを云い代えれば ｍ　　””ｔａｎα２／ｌａｎα１　（シャインブルフ
の法則）で表わされる。

上記の条件を満たすことにより、ライトバルブ１６の画
像を第１レンズ１７により結像面１８上に結像させるこ
とができる。ただしこの結像面１８上に結像される画像
は第８図に示すように原画像が正四角形の例でみるとこ
れが台形に歪んだ画像となる。

第２レンズ１９も、結像面１８とスクリーン１２との配
置関係を前記第１レンズ１７の場合と同様な関係をもっ
て配置することにより、結像面１８上の画像が第２レン
ズ１９により拡大されてスクリーン１２上に結像される
。この画像は第１レンズ１７の倍率と第２レンズ１９の
倍率とを乗じた倍率の画像として結像される。

こ＼において本発明における投射光学系１１の第１レン
ズ１７および第２レンズ１９は、下記の条件を満すよう
にされている。

すなわち第７図（Ａ）に示すように、第１レンズ１７の
像空間側の焦点位置ｆ１におけるその光軸２０に対する
垂線３３と結像面１８の延長線３１との交わる点Ｃ２と
、第２レンズ１９の物体空間側の焦点位置ｆ２における
その先軸２１に対する垂線３４と結像面１８の延長線３
１との交わる点Ｃ３とが一致するように構成されている
。

この場合、第７図（Ｂ）のように、第１レンズ１７の光
軸２０と第２レンズ１９の光軸２１が結像面１８におい
てずれていても、前記点Ｃ２とＣ３が一致していればよ
い。これは第７図（Ｃ）のように結像面１８を第３図（
Ｃ）に示したような反射面とし、この反射面による反射
光束をスクリーン１２に導く光学系を用いた場合であっ
ても同様である。

上記条件を満したことにより、スクリーン１２上におけ
る画像は第９図示のように台形歪のない正規の画像を得
ることができた。

以下にその理由の解析結果を記す。

まず正方形状の画面の像の変化について考察する。

第１０図において、焦点面と物体面との交点を０１とす
ると、 である。

第１０図、第１１図に示すひ方向の物体と像の大きさを
ｖｌ、υ２とすると、υ方向の拡大率ｍｔｒは、 ｔｒ− 第１１図に示すＵ方向の物体と像の大きさをＵ方向の倍
率ｍ′ は、 ＣＯＳ　″２ 第１１図においてｕ　　、’Ｕ　　の面でｕ　ｔ　””
　ａという直線についてみると、 と同形の直線となることが分る。

つぎにｖｌ −ｂという直線についてみると、 ｏ　ｂ ｍ／ 結像面側では、 ｇ２″″Ａ２　Ｃ２＝ｍ’　ｏ　ｇＬ こ＼で上記第１レンズ１７を含む光学系において生じた
台形歪を第２レンズ１つを含む光学系で補正することに
なる。この光学系では、記号に３゜４を付し、倍率ｍに
代えてμで表わすと、μ０ となる。こ＼で第１２図のように光軸がＡ２を通る場合
は、 とおいたことになる。なおひ方向は上下で非対称がない
ので考慮する必要はない。

結局 １−□ となり、一般には台形歪型の画像となるが、ｇ３　＝”
’　Ｏｇｌ　＝ｇ２ であれば、台形歪はなくなる。

本発明においては、第２レンズ１フを縮小レンズとし、
かつその間延び率が第２レンズ１９による間延び率によ
りキャンセルするように定められている。

この間延び率σは、この間延び率σと主倍率ｍｏが与え
られると第６図における角度α１゜Ｃ２が定まり、 間延び率σは主倍率ｍ。を超えることはないので、ｍｏ
〉σとなる。

したがって第１レンズ１７において一旦間伸び率を１／
σに縮小しておき、ついで第２レンズ１９により間伸び
率をσに戻すことでスクリーン１３上に台形歪および間
伸びのない画像が得られる。

上記の投射光学系１１は、第１レンズ１７の光軸２０と
第２レンズ１９の光軸２１が屈曲された配置とした場合
について説明したが、前述の条件を満すことにより第６
図に点線で示すように各光軸２０，２１を同一軸線上に
配置してその軸線上にライトバルブ１６、スクリーン１
２の中心を置くようにし、同図において　α十α４−α
４の関係を維持することにより前記と同様な作用を奏す
る投射光学系を得ることができる。

このような配置とすれば、レンズ１７．１９の負担を減
じ、無理のない光利用を計ることができる。

第１図および第２図示の実施例を参照すると、この場合
はキャビネット１０の内部上方に投射光学系１１を置き
、この投射光学系１１から出射する光束を中継ミラー３
５を介してキャビネット１０の底部に設置された第１反
射ミラー１３に導き、この第１反射ミラー１３からの反
射光を受ける第２反射ミラー１４をスクリーン１２に相
対向する後部内面にスクリーン１２の背面とはゾ平行に
置いてこの第２反射ミラー１４からスクリーン１２の背
面に斜め方向から投射することにより、ライトバルブ１
６に作られる画像がスクリーン１２上に拡大画像として
投射される。

上記のような配置構造を採用してスクリーン１２の背面
から斜め投射しても、スクリーン１２上に形成される拡
大画像に台形歪および間伸びを生じることがな（、正規
の画像を写し出すことができながらキャビネット１０の
奥行き寸法りを大巾に短縮することができ、超薄型で大
画面の表示装置を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、スクリーンへの投
射光学系に斜めの投射方式を採用しても、その照明装置
の集光レンズによる光源からの照明光を第１レンズから
第２レンズにかけて略平行ビームとして入光させること
ができ、これにより光源からの光を無駄なく照明のため
に使用することができ、スクリーン上の画像の明るさを
著しく高めることができる。また第１レンズの前で一旦
焦点を結んだのち第１レンズに入光するので第１レンズ
が小口径でのみ込み角の小さいものであってもよく、第
２レンズも第１レンズから略平行光となって入光するの
で同様に小口径のレンズの使用が可能となり、これらレ
ンズの制約条件を著しく緩和することができる。

なお、図示実施例のような斜め投射光学系を用いれば、
スクリーン上における画像に台形歪はもちろん画像の間
伸びもなく、画像の質を著しく高めることができる。ま
たスクリーンに対し斜め投射しても画像に歪や間伸びが
生じないのでキャビネットに組込んでデイスプレィ型の
表示装置とするとき、キャビネットの容積、特に奥行き
を大１１に低減することが可能となり、コンパクトな表
示装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は同具
体的実施例の縦断面図、第３図（Ａ）。 （Ｂ）、　　（Ｃ）は投射光学系の説明図、第４図（Ａ
）は第３図における結像面に反射手段を用いる場合の反
射手段の一例を示す一部の拡大銘水断面図、第４図（Ｂ
）はスクリーンの一例を示す一部の拡大図、第５図は照
明光学系の作用説明図、第６図は第３図における投射光
学系を幾何光学的に示す説明図、第７図（Ａ）、　　（
Ｂ）、　　（Ｃ）は本発明による投射光学系の幾何光学
的解析図、第８図は第１レンズによる結像画面の台形歪
を示す説明図、第９図は第２レンズにより矯正された画
像を示す説明図、第１０図乃至第１２図は台形歪が生じ
ないことの説明用線図、第１３図は斜め投射光学系の説
明図である。 １１５・・・照明装置、２，１６・・・ライトバルブ、
３．１７・・・第１レンズ、４，１８・・・結像面（反
射手段）、５．１９・・・第２レンズ、６．１２・・・
スクリーン、２３・・・光源、２４・・・反射板、２５
・・・集光レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 照明手段により照明されるように配置されるライトバル
   ブの面に対し所要角度傾斜して配置された第１レンズと
   、この第１レンズの結像位置に配置された結像面と、こ
   の結像面に対し所要角度傾斜して配置され前記第１レン
   ズにより生じた歪を矯正してスクリーンに所要の角度を
   もって斜め投射する第２レンズとを有する光学系であっ
   て、前記照明手段は光源とライトバルブとの間に光源か
   らの光を集光する集光レンズを備え、この集光レンズは
   ライトバルブと第１レンズとの間であって第１レンズの
   物体面側焦点位置乃至その付近に焦点を有し、第１レン
   ズにおいて略平行ビームとして第２レンズに入光するよ
   うにしたことを特徴とする斜め投射光学系の照明装置。