JPH0774862B2 - 白色光を複数色に分光する光源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、白色光を複数色に分光する光源装置に関し、
たとえば液晶表示素子などのようなマトリクス形受動表
示素子を用いた投影形カラー画像表示装置用の光源装置
に好適に実施することができ、さらに特に、大画面の投
影形カラーテレビジョン受信機および情報表示などの装
置に適用することができる光源装置に関する。

従来の技術 まず、本発明の適用され得る投影形カラー画像表示装置
について説明する。本発明の適用され得る投影形カラー
画像表示装置で用いられる受動形表示素子とは、それ自
身は発光しないが、その透過率または反射率が駆動信号
によって変化し、別に設けられた光源からの光の強度を
変調することにより画像や文字を表示するものである。
この例には液晶表示素子、エレクトロミックディスプレ
イ、PLZT（鉛、ランタン、ジルコン、チタンから成る透
光性セラミック）等の透光性セラミックを用いた表示素
子等があり、中でも液晶表示素子はポケッタブルTVやワ
ードプロセッサー等に広く利用されている。これらの用
途では、画面の対角線が２″〜10″（単位″はインチ）
程度の比較的小形の表示素子が直視形で用いられてい
る。

一方、40″以上の大画面表示については、従来は、ブラ
ウン管に表示された画像をスクリーンに投影する方式の
いわゆる投影形TVが用いられていたが、ブラウン管に表
示できる画像の明るさに限界があり、投影画面の拡大率
が大きくなる程、画面が暗くなるという欠点があった。
また、画面の対角線が数十インチ程度のものでも、数十
kgの重さになるという欠点があった。

これに代わるものとして、液晶素子を用いた投影形TV
（テレビジョン受信機）の開発が行われており、既に市
販品が登場し始めている。液晶素子はそれ自身は発光し
ないので、別の光源を設ける必要があるが、原理的に
は、その光源の明るさに応じて、いくらでも明るい画面
を表示できるという特長がある。また、同じ画面サイズ
のブラウン管方式の投影形TVと比較して、格段に小形、
軽量になるという特長も併せ持つので、今後の発展が期
待されている。

このような液晶表示素子を用いた投影形カラー画像表示
方式には、液晶表示素子を１枚だけ用いる方式と３枚用
いる方式とがある。

前者は直視形の液晶TVと同様、モザイク状のカラーフィ
ルターを備えた液晶表示素子をスライド投影機に類似し
た光学系によって投影するもので、たとえば特開昭59-2
30383に、この方式が開示されている。この方式は、光
学系の構成が簡単で、使用する液晶表示素子も１枚なの
で小形の投影形システムに適している。しかし、この方
式では液晶表示素子に照射された光の約2/3はカラーフ
ィルターによって吸収される。たとえば赤を表示する絵
素には赤色のカラーフィルターが対応するがこのカラー
フィルターで緑および青の光は吸収される。したがっ
て、光源の光の1/3しか利用されず、後述の液晶表示素
子を３枚用いる方式で同じ光源を用いた場合と比較し
て、画面は暗くなる。

一方、後者の液晶表示素子を３枚用いる方式では、赤、
緑、青の３原色それぞれの色光を発生し、その色光を制
御して画像を形成する表示素子とをそれぞれ独立に設
け、各色の画像を光学的に重ね合わせてフルカラー表示
を行う。赤、緑、青それぞれの色光の発生源として個別
の光源とカラーフィルターを用いた例が特開昭60-3291
に開示されているが、単一の白色光源の光をダイクロイ
ックミラーにより赤、緑、青の３原色の色光に分光し、
それぞれの色光をその色に対応する液晶表示素子に照射
することも可能であり、この例は特開昭60-179723に開
示されている。ここで用いるダイクロイックミラーは、
ガラス等の透明基板上に、ある波長域の光だけを選択的
に反射または透過するように周知の薄膜形成技術により
多層膜を形成したもの、あるいはカラーTV用の撮影機に
用いられるダイクロイックプリズムのように、プリズム
の表面に波長選択用の多層膜を形成したものを組合わせ
たものである。先行技術に関する以下の説明では、両者
を含めて単にダイクロイックミラーと称する。白色光源
としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハ
ライドランプなどが用いられる。その発光スペクトルは
連続スペクトルであっても、輝線スペクトルであっても
良い。

各表示素子により形成された画像は投影レンズにてスク
リーンに投影されるが、スクリーンに対してどちら側か
ら見るかによって２つに分類される。１つは、反射形ス
クリーンを用い投影する側から見るフロントプロジェク
ション方式であり、もう一方は、半透明のスクリーンを
用い投影する側の反対側から見るリアプロジェクション
方式である。

リアプロジェクション方式では、投影部とスクリーンと
が１つのケースに収められるので、投影レンズとスクリ
ーンの位置関係は固定されている。フロントプロジェク
ション方式では、建物に作り付けにする場合のように投
影レンズとスクリーンの位置関係が固定される場合と、
スライドプロジェクターのように投影部とスクリーンが
分離された可搬形とに分けられる。投影レンズとスクリ
ーンの位置関係が固定される場合、投影レンズのピント
は生産時に一度合わせてしまえば、後から調整する必要
はないので、３原色の各表示素子にそれぞれ投影レンズ
を設け、直接スクリーン上で３原色の画像を合成するこ
とができる。この例は特開昭61-167297に開示されてい
る。これにひきかえ、投影部とスクリーンが分離された
可搬形では、投影部とスクリーンの位置関係が一定では
ないので、前述のように３原色の各表示素子にそれぞれ
投影レンズを設けてスクリーン上で３原色の画像を合成
する方式では、ユーザーが使用の都度ピント合わせと画
面の重ね合わせを調節しなければならず、多大の負担を
かけることになる。これを避けるためには、３原色の各
表示素子を透過した光を投影部の中で合成し、共通の投
影レンズでスクリーンに投影する方式が用いられる。こ
の場合にはユーザーは、１つの投影レンズのピントを合
わせるだけでよい。この例は前述の特開昭60-3291に開
示されている。

以上が受動形表示素子を用いた投影形カラー画像表示装
置の概要である。

本発明は、以上のように受動形表示素子を用いた投影形
カラー画像表示装置の中でも、３枚の表示素子を用いた
投影形カラー画像表示装置に適用され得る。このような
投影形画像表示装置では、単一の白色光源の光を赤、
緑、青の３原色の色光に分光して光源とするほうが、消
費電力や発熱量の点で有利である。先行技術を第８図に
示す。この第８図において、光源１からの白色光は、コ
ンデンサレンズ３から平面ダイクロイックミラー2b1,2b
2,2r1,2r2を介して導かれ、また反射鏡5,6,7が設けら
れ、各色毎の液晶表示素子9r,9g,9bが設けられる。投影
レンズ７からの光はスクリーンなどに投影される。平面
ダイクロイックミラー2b1,2b2は、青の波長帯を選択的
に反射し、平面ダイクロイックミラー2r1,2r2は、赤の
波長帯を選択的に反射する。

この第８図の方式では、コンデンサレンズと表示素子と
の間に表示素子の画面と同程度の大きさのダイクロイッ
クミラーを約45°の角度で２枚挿入するために光源と表
示素子との間隔を短くすることが困難である。そのため
光源の平行度が悪いと光が表示素子に到達するまでに発
散してしまい、有効に利用される光量が少なくなってし
まうという問題点を有している。

また第８図の方式では、ダイクロイックミラーは入射角
45°付近で使用されるが、この場合は垂直入射の場合に
比べて分光特性の入射依存角依存性が大きく、光源の平
行度が悪いと画面内の色むら（ホワイトバランスのむ
ら）が生じ易いという問題点も有している。

この対策として、特開昭61-99118には単一の白色光源の
光を赤、緑、青の３原色の色光に分光する手段および各
表示素子によって形成された３原色の画像を合成する手
段として直交Ｘ形に配置されたダイクロイックミラーを
それぞれ使用することが開示されている。なお、直交Ｘ
形に配置されたダイクロイックミラーを使用した光学装
置としては、特開昭50-10019にて「原色発光する３本の
受像管の像を直交Ｘ型に配置されたダイクロイックミラ
ーにより光学的に合成する投影型テレビジョン受信機」
が開示されている。

しかしながら、この直交Ｘ形に配置されたダイクロイッ
クミラーは、本来１枚であるべきダイクロイックミラー
を２分割したもの２組をＸ形に組合わせたものなので、
継目のところで分光特性や反射角の不連続性が生じ易
く、これにより表示画面に継目が入り、表示品位が低下
するという問題点を有している。

発明が解決しようとする課題 本発明は、コンパクトな構成で、光源の光の利用率が高
くなるようにした白色光を複数色に分光する光源装置を
提供することである。

課題を解決するための手段 本発明は、白色光源と、 可視光の一部の波長領域を選択的に透過し、他の波長領
域の光を反射し、前記白色光源に関して対向するように
配置され、透過波長領域が相互に異なるように選択され
ている少なくとも２つのダイクロイックミラーと、 前記ダイクロイックミラーとそれぞれ組合わされるコン
デンサレンズとを含み、 前記ダイクロイックミラーで反射された光が前記白色光
源に戻るように構成されることを特徴とする白色光を複
数色に分光する光源装置である。

また本発明は、前記ダイクロイックミラーは球面状に形
成され、 前記コンデンサレンズは前記ダイクロイックミラーに関
して前記白色光源から遠ざかった位置に配置されること
を特徴とする白色光を複数色に分光する光源装置であ
る。

さらに本発明は、前記コンデンサレンズの前記白色光源
側の表面が球面状であって、その球面状の表面に前記ダ
イクロイックミラーが形成されることを特徴とする白色
光を複数色に分光する光源装置である。

さらに本発明は、前記ダイクロイックミラーを前記コン
デンサレンズよりも前記白色光源から遠ざかった位置に
配置し、 前記ダイクロイックミラーは前記コンデンサレンズの光
軸に垂直な平板状に形成されることを特徴とする白色光
を複数色に分光する光源装置である。

作用 本発明に従えば、白色光源に関して、少なくとも２つの
ダイクロイックミラーが対向して配置される。各ダイク
ロイックミラーは可視光の一部の波長領域の光を選択的
に透過し、他の波長領域の光を反射する。反射された光
が白色光源に戻るように構成されているので、さらに反
射光は対向するダイクロイックミラーに導かれる。この
ようにして白色光源の利用率を向上することができる。

ダイクロイックミラーは対をなし、これらは相互に分光
して透過する波長領域がずれており、換言すると、波長
領域が間隔をあけて分離しており、あるいはまた波長領
域が部分的に重なっており、こうして対をなすダイクロ
イックミラーにおける上述の白色光源の利用率を向上す
ることができ、しかもその白色光を各ダイクロイックミ
ラー毎に複数色に分光することができる。

またこのような構成は、小形化が可能である。

特に本発明に従えば、ダイクロイックミラーを球面状に
形成し、このダイクロイックミラーに関して白色光源か
ら遠ざかった位置にコンデンサレンズを配置する。した
がって、白色光源からの白色光は、前記ダイクロイック
ミラー相互間で複数色に分光され、各色毎に配置された
コンデンサレンズによって平行光となる。

さらに本発明に従えば、コンデンサレンズの白色光源側
の表面を球面状に形成し、ダイクロイックミラーをこの
表面上に形成する。したがって、白色光源からダイクロ
イックミラーによって複数色に分光された光は、直ちに
コンデンサレンズに入射し、平行光となる。

さらに本発明に従えば、平板状のダイクロイックミラー
をコンデンサレンズに関し白色光源から遠ざかった位置
でコンデンサレンズの光軸に垂直に配置する。したがっ
て、白色光源からの白色光は、コンデンサレンズによっ
て平行光となってからダイクロイックミラーに入射す
る。ダイクロイックミラーを透過する光は、平行光とし
て直進する。ダイクロイックミラーによって反射される
光は平行光として逆進し、前記コンデンサレンズによっ
て前記白色光源に戻される。

実施例 第１図は、本発明の一実施例の簡略化した断面図であ
る。この光源装置10は、第２図〜第４図に示される投影
形カラー画像表示装置11のために実施することができ
る。白色光の光源12は、ハロゲンランプ、キセノンラン
プおよびメタルハライドランプなどによって実現され、
実質上点光源であり、しかも少なくとも第１図の左右方
向と上下方向に光を出射するようになっている。ダイク
ロイックミラー13R,13G,13Bは、赤、緑および青の各波
長帯を選択的に透過し、それ以外の可視光は反射する。
各波長帯は相互に部分的に重なっていてもよい。これら
のダイクロイックミラー13R,13G,13Bは白色光源12の点
光源としての点14を中心とする球面状に形成される。こ
のようなダイクロイックミラーは、屈折率の異なる複数
の誘電体薄膜の干渉を利用したバンドパスまたはバンド
反射のフィルタである。このようなダイクロイックミラ
ーは、色分解を行う多層薄膜を、上述のように有してお
り、その膜構成としては、高屈折率膜と低屈折率膜を、
基準波長の1/4の整数倍の膜厚を基本として、交互に積
層して構成され、このように交互に積層することによっ
て、透過帯と反射帯とを有する膜特性が得られる。ダイ
クロイックミラー13R,13G,13Bは、点14に関して点対称
に配置される。もう１つのダイクロイックミラー13Gと
球面状の反射鏡13とは、点14に関して点対称に配置され
る。

赤のダイクロイックミラー13Rは、約590nmよりも長波
長、青のダイクロイックミラー13Bは約500nmよりも短波
長の可視光を透過し、緑のダイクロイックミラー13Gは
約590〜500nmの範囲を透過するように、多層薄膜コーテ
ィング技術によって多層薄膜の条件が設定される。反射
鏡13は、緑のダイクロイックミラー13Gのために緑の光
を反射すればよく、他の波長域の光については、反射し
なくてもよい。光源12は反射鏡13によって反射された光
をダイクロイックミラー13Gに透過することができるよ
うに構成されている。点14は、白色光源12の発光部であ
る。平行光を得るために、コンデンサレンズ15,16,17が
ダイクロイックミラー13R,13G,13Bにそれぞれ対応して
配置される。

このような構成によれば、光源12からダイクロイックミ
ラー13Rに向かった光のうち、赤の成分Ｒ透過するが、
他の成分は反射されて逆戻りし、光源12を通り抜けて、
青のダイクロイックミラー13Bに向かう。このうちで青
の成分は初めからダイクロイックミラー13Bに向かった
光とともに、これを通過する。他の色光成分についても
同様である。このようにして単一の白色光源12の光は、
３色の色光である赤の成分Ｒと、緑の成分Ｇと青の成分
Ｂとに分離されて、３方向に放射状に取出される。これ
らの色の光は、コンデンサレンズ15,16,17によって平行
光線にされる。なお、第１図では、コンデンサレンズと
して各１枚の平凸レンズを図示したが、受光角を大きく
取る場合には、複数枚の凸レンズあるいは非球面レンズ
が用いられる。

このような実施例では、次のような利点が生まれる。第
１の利点は、前述の第８図の先行技術では、表示素子と
同程度の大きさのダイクロイックミラーを用いなければ
ならなかったが、上述の実施例では、球面状のダイクロ
イックミラー13R,13G,13Bは、コンデンサレンズ15,16,1
7の受光角をカバーすれば、その大きさは小さくてもよ
い。もう１つの利点は、各色光の波長スペクトルを、各
ダイクロイックミラー13R,13G,13B毎に独立に設定する
ことができるということである。第８図の従来の光学系
では、白色光から赤と青の色光を分離し、その残りが緑
の色光となるので、赤と青の色光のスペクトルを決める
と、緑の色光のスペクトルは自動的に決められてしま
う。ところが第１図の構成では、３種のダイクロイック
ミラー13R,13G,13Bの波長選択性は独立に決めることが
できるので、３色の色光のスペクトルが少しずつオーバ
ラップするように設定することが可能であり、このよう
にすると、表示画像の色再現範囲、彩度（すなわち色純
度）が多少犠牲になるが、明るさを増すことが可能とな
る。

第２図は第１図に示される光源装置10を用いる投影形画
像表示装置11の平面図であり、第３図はその画像表示装
置11の正面図であり、第４図は第２図に示される画像表
示装置の右側面図である。これらの図面を参照して、液
晶表示素子18,19,20にはコンデンサレンズ15,16,17を介
する各色の成分R,G,Bが透過され、直角プリズム22,23,2
4に反射され、直交Ｘ形ダイクロイックミラーまたはプ
リズム26によって合成され、投影レンズ27によってスク
リーンに投影される。プリズム22,23,24の代わりにそれ
ぞれ１組の平面鏡を用いてもよい。なお液晶表示素子1
8,19,20は、直角プリズム22,23,24の光経路の途中また
は光出口に設けてもよい。また投影レンズ27の口径を小
さくするために、表示素子18,19,20の直近にそれぞれフ
ィールドレンズまたはリレーレンズを置いて、表示素子
18,19,20を通過した光を収束してもよい。

赤のダイクロイックミラー13Rと青のダイクロイックミ
ラー13Bとを光源12の両側に対向して配置することによ
って、これらの光の通過波長域がずれているので、この
ような組合わせによって、希望する赤および青の成分R,
Bを上首尾に取出すことができる。

上述の実施例によれば、投影形カラー画像表示装置で
は、赤、緑、青の各波長帯を選択的に通過する３枚のダ
イクロイックミラー13R,13G,13Bを、白色光源12の発光
部である点14を中心とする球面上に形成し、さらにその
ダイクロイックミラー13R,13G,13Bの３枚の中の２枚13
R,13Bが、白色光源12の両側で互いに向合うように配置
することによって、光源12の光を有効に利用し、明るい
投影画像を表示することができる。このようにしてコン
パクトで有効に利用することができる光量が多く、画面
の明るい投影形カラー画像表示装置を得ることができ
る。

第５図は、本発明の他の実施例の簡略化した断面図であ
る。本実施例では、コンデンサレンズ15,16,17の光源側
の表面を球面とし、この表面上にダイクロイックミラー
13R,13G,13Bを形成する。コンデンサレンズ15,16,17の
他方の面を回転楕円面とし、その焦点の１つとダイクロ
イックミラー13R,13G,13Bが形成されている球面の中心
を一致させると、周知の無収差レンズとなり、球面の中
心に白色光源12を配置すると平行光が得られる。

第１図に関連する実施例と同様、それぞれ赤、緑、青の
波長域を選択的に透過するダイクロイックミラー13R,13
G,13Bが形成されたコンデンサレンズ15,16,17を白色光
源12を中心として対称的に配置する。なお、緑の波長域
を透過するダイクロイックミラー13Gの反対側には球面
ミラー13を配置する。

動作原理は、第１図に関連する実施例と同様である。

第６図は、本発明のさらに他の実施例の簡略化した断面
図である。本実施例ではダイクロイックミラー13R,13G,
13Bと、白色光源12の間にコンデンサレンズ15,16,17を
配置する。

白色光源12から出た発散光は、コンデンサレンズ15,16,
17によってそれぞれ平行光に変換されてから、光軸に垂
直に配置された平板状のダイクロイックミラー13R,13G,
13Bに入射する。各ダイクロイックミラーに入射した光
の成分の中で所望の波長域の光が透過し、他の波長域の
光は反射して入射経路を逆進し、白色光源12を通過して
反対側に配置された他のコンデンサレンズに入射し、さ
らに他のダイクロイックミラーに入射してその方向に取
出される波長域の光の強度を強める。

第５図および第６図に関連する実施例についても第１図
に関連する実施例と同様、第２図〜第４図に示したよう
な投影形画像表示装置の光源部として用いることができ
る。

第７図は、本発明のさらに他の実施例の簡略化した断面
図である。本実施例では、第７図の紙面を含む一平面内
に、白色光を３原色に分光する部分の光軸と、３原色の
画像を合成する部分の光軸とが存在する。白色光を３原
色に分光する部分は、白色光源12、コンデンサレンズ1
5,16,17、反射鏡13、ダイクロイックミラー13R,13G,13
B、表示素子18,19,20を含み、３原色の画像を合成する
部分は、２組の平面鏡22,22a;24,24a、２つのリレーレ
ンズ28,29、直交Ｘ形ダイクロイックミラーまたはプリ
ズム26、投影レンズ27を含む。リレーレンズ28,29は、
白色光源12からの光路長の違いを補償し、各色光の照度
がアンバランスになることを防止するために挿入され
る。

前述の第２図〜第４図に関連する実施例では、白色光を
３原色に分光する部分の光軸を含む平面と、３原色の画
像を合成する部分の光軸を含む平面とは平行であり、こ
れら２つの平面は第３図および第４図の上下に間隔をあ
けて位置する。このようないわば２階建の構成と比較
し、本実施例の構成は装置全体を薄型に設計することが
できる。

なお以上の各実施例では、３原色の画像が投影部の中で
合成されて１つの投影レンズによって投影される場合に
ついて示したが、画像毎に設けられた３つの投影レンズ
によって３原色の画像がスクリーン上で合成される場合
についても本発明は適用できる。

本発明は、投影形画像表示装置に関連して実施すること
ができるだけでなく、その他の用途に関連してもまた実
施することができる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、コンパクトな構成で光源
の光の利用率を向上し、したがってたとえば投影形表示
を行うために実施した場合には表示画面を明るくするこ
とができる。

しかもまた本発明では、ダイクロイックミラーに対する
白色光源からの光は、垂直に入射する。そのため色む
ら、すなわちホワイトバランスのむらが生じないという
優れた効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光源装置10の断面図、第２
図はその光源装置10を用いた投影形カラー画像表示装置
の平面図、第３図は第２図に示される投影形カラー画像
表示装置11の正面図、第４図は投影形カラー画像表示装
置11の側面図、第５図、第６図および第７図は本発明の
他の実施例の断面図、第８図は先行技術の断面図であ
る。 10……光源装置、12……光源、13R,13G,13B……ダイク
ロイックミラー、15,16,17……コンデンサレンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】白色光源と、 可視光の一部の波長領域を選択的に透過し、他の波長領
   域の光を反射し、前記白色光源に関して対向するように
   配置され、透過波長領域が相互に異なるように選択され
   ている少なくとも２つのダイクロイックミラーと、 前記ダイクロイックミラーとそれぞれ組合わされるコン
   デンサレンズとを含み、 前記ダイクロイックミラーで反射された光が前記白色光
   源に戻るように構成されることを特徴とする白色光を複
   数色に分光する光源装置。
2. 【請求項２】前記ダイクロイックミラーは球面状に形成
   され、 前記コンデンサレンズは前記ダイクロイックミラーに関
   して前記白色光源から遠ざかった位置に配置されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の白色光を複数
   色に分光する光源装置。
3. 【請求項３】前記コンデンサレンズの前記白色光源側の
   表面が球面状であって、その球面状の表面に前記ダイク
   ロイックミラーが形成されることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の白色光を複数色に分光する光源装
   置。
4. 【請求項４】前記ダイクロイックミラーを前記コンデン
   サレンズよりも前記白色光源から遠ざかった位置に配置
   し、 前記ダイクロイックミラーは前記コンデンサレンズの光
   軸に垂直な平板状に形成されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の白色光を複数色に分光する光源装
   置。