JPH09325313A - 投射型液晶表示装置 - Google Patents

投射型液晶表示装置

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JPH09325313A
JPH09325313A JP8141621A JP14162196A JPH09325313A JP H09325313 A JPH09325313 A JP H09325313A JP 8141621 A JP8141621 A JP 8141621A JP 14162196 A JP14162196 A JP 14162196A JP H09325313 A JPH09325313 A JP H09325313A
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liquid crystal
crystal display
lens
light
display device
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Takashi Tsunoda
隆史 角田
Masaharu Deguchi
雅晴 出口
Futoshi Yamazaki
太志 山崎
Takesuke Maruyama
竹介 丸山
Yoshihiro Konuma
順弘 小沼
Yutaka Matsuda
裕 松田
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小型で明るさ等の画質性能が良好な投射型液晶
表示装置を提供すること。 【解決手段】光源と楕円面鏡及び球面鏡を有し該光源か
らの出射光を被照射面上に照射させる作用を有する照明
手段と、光を変調する液晶表示素子と、該液晶表示素子
から出射した光を投射する投射手段とを設け、かつ前記
照明手段に第一のレンズアレイ及び第二のレンズアレイ
を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子を用
いた投射型液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、画像表示装置として、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て形成
される光学像を、照明手段により照射し、該光学像を投
射手段によりスクリーン上に拡大投影する投射型表示装
置がある。そうした表示装置のライトバルブとして液晶
表示素子を用いた投射型液晶表示装置ているものが数多
く提案されている。液晶表示素子の代表例であるツイス
テッド・ネマティック（ＴＮ）型液晶表示素子の構造
は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間に液晶を注
入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方向が互いに
９０°異なるように２枚の偏光子を配置したものであ
り、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させる作用
と、偏光子の偏光成分の選択作用とを組み合わせること
により、入射光の透過光量を制御して画像情報を表示す
るようになっている。近年、こうした透過型あるいは反
射型の液晶表示素子自体の小型化が進むとともに解像度
等の性能も急速に向上し、該液晶表示素子を用いた表示
装置の小型高性能化が進んでいる。これにより、従来の
ビデオ信号等による映像表示のみでなく、パーソナルコ
ンピュータの画像出力装置としての投射型液晶表示装置
が新たに提案されてきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の投射型
液晶表示装置は、大型であったり、また最終的に得られ
た画像の明るさ等の性能が不充分であるといった問題が
あった。表示装置全体の小型化には、ライトバルブすな
わち液晶表示素子自体の小型化が有効であるが、液晶表
示素子を小型化すると照明手段による被照射面積が小さ
くなるため光源の放射する全ての光束量に対する液晶表
示素子上に照射される光束量の比率（以下光利用効率と
呼ぶ）が低くなる等の問題が生じる。その結果、装置全
体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現すること
が困難であった。さらに、投射型液晶表示装置の場合に
は上記照明手段以外に投射レンズの光学的特性、また液
晶表示素子の光学的特性等の様々な要素が画質性能に影
響するため、照明手段のみを改善しても小型で画質性能
の良い表示装置を得ることは困難であった。
【０００４】従って、本発明の目的はこうした従来の問
題点を解決し、小型で明るさ等の画質性能が良好な投射
型液晶表示装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するため、光源を有し、該光源からの出射光を被照
射面上に照射させる作用を有する照明手段と、光を変調
する液晶表示素子と、該液晶表示素子から出射した光を
投射する投射手段とを有する投射型液晶表示装置におい
て、前記照明手段は少なくとも１つの楕円面鏡と１つの
球面鏡とを有し、かつ前記照明手段は光源側より複数の
レンズが光軸に垂直に配列された第一のレンズアレイと
第二のレンズアレイとを設けた構成としている。
【０００６】これにより、光源から射出される光の利用
効率を高くして、明るくかつ画質性能が良い小型の投写
型液晶表示装置を実現できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
面を用いて説明する。
【０００８】図１は、本発明による投射型液晶表示装置
の光学系構成図である。この図１において、光源１は、
メタルハライドランプ，キセノンランプ，ハロゲンラン
プ等の白色ランプである。前記光源１と楕円面鏡５及び
球面鏡６で構成された照明手段２において、該光源１か
ら放射された光は、該楕円面鏡５及び球面鏡６で反射さ
れ第一のレンズアレイ２２を通過後、第二のレンズアレ
イ２３を通過しコンデンサレンズ７に入射する。コンデ
ンサレンズ７は、正の屈折力を有し、照明手段２から出
射した光をさらに集光させる作用を持ち、該コンデンサ
レンズ７を通過した光は液晶表示素子３を照射する。該
液晶表示素子３を通過した光は、該光を例えばズームレ
ンズであるような投射手段４に入射させる作用を有する
フィールドレンズ８に入射し、その後投射手段４を通過
しスクリーン９に到達する。前記フィールドレンズ８と
投射手段４により、液晶表示素子３に形成された画像
は、スクリーン９上に拡大投影され表示装置として機能
するものである。
【０００９】次に、本発明による投射型液晶表示装置に
おける要部の作用について詳細に説明する。図２は、本
発明の投射型液晶表示装置の照明手段の一部の作用を示
す原理断面図であり、前記光源から出射した光が楕円面
鏡５及び球面鏡６により反射される様子を示したもので
ある。
【００１０】同図に示す点Ｐ及び点Ｐ’は、それぞれ楕
円面鏡５の反射面である楕円面の第一焦点及び第二焦点
の位置を表している。点Ｐより楕円面鏡５の方向に出射
した光Ｂ１は、該楕円面鏡５で反射され光軸１８上の点
Ｐ’に到る。従って、点Ｐから出射し直接楕円面鏡５で
反射した光は全て点Ｐ’に到達する。一方、球面鏡６の
反射面である球面の中心を前記点Ｐに一致させた場合、
点Ｐの位置から球面鏡６の方向に出射した光Ｂ２は、該
球面鏡６により反射され再び点Ｐに戻り楕円面鏡５に向
い該楕円面鏡５で反射された後点Ｐ’に到達する。これ
らの作用により、点Ｐの位置から出射した光の内、前記
楕円面鏡５あるいは球面鏡６に入射する光は原理的に全
て点Ｐ’に到達する。前記光Ｂ２は、液晶表示素子であ
るような被照射面に従来到ってないものであり、図２に
示す構成で点Ｐ’近傍に液晶表示素子を配置することに
より光利用率を向上させることができる。また、従来の
照明手段の様に、楕円面鏡５のような反射鏡１つのみで
光利用効率を向上させようとすると反射鏡が大型化した
り、それに伴って投射手段としてＦ値が小さい投射レン
ズが必要となり該投射レンズが大型化するといった問題
が生じる。
【００１１】図３は、本発明の投射型液晶表示装置にお
ける光源の例を示す構成図であり、前記光源をランプ１
０とした場合の構成を示す。
【００１２】同図において、１３は石英ガラス等の発光
管であり、内部に水銀，アルゴン等の金属蒸気放電灯点
灯装置として作用させるためのガスが封入されており、
また、同図１１は電極、１２は保温膜、１５は発光管１
３の気密性を保持する等の作用を有するモリブデン箔、
１４はリード線、１６は口金を示し、前記一対の電極１
１間の放電により発光部１７から光を放射するものであ
る。ここで、前記保温膜１２は、ジルコニア等で成り、
発光管の温度を保ち蒸気圧を高める等の作用を有し、こ
れにより充分な連続発光性能あるいはランプ寿命を得る
効果がある。しかし、前記発光部１７より放射された光
の内、保温膜１２に入射したものは吸収あるいは拡散反
射されるため、保温膜が広い範囲に渡り塗布された従来
のランプを用いた照明手段では光利用効率の悪いものと
なっていた。本発明の図３に示す構成においてランプ１
０を用いる場合には、前記保温膜１２を前記球面鏡６の
形状に合わた範囲に設けている。すなわち、図３に示す
発光部１７から放射された光Ｂが、保温膜１２で吸収あ
るいは反射されることなく図２に示す球面鏡６に入射す
るように保温膜の形状を決めている。これにより、ラン
プ１０と図２に示す構成を組み合わせた照明手段では、
従来、保温膜１２で吸収あるいは拡散反射されていた光
を有効に照射に使用することができ、光利用効率の高い
ものとなる。一方、図２の点Ｐ近傍に発光部１７が位置
するようにランプが設けられた場合、上述したように発
光部１７から放射され前記球面鏡６に入射した光は、反
射され再び発光部方向に戻る。このため、ランプの発光
管１３に球面鏡６で反射された光が当たり、発光管の温
度を保ち蒸気圧を高める等の効果がある。すなわち、球
面鏡６は従来の保温膜と同等の作用を有している。従っ
て、図２に示す反射鏡構成と図３に示すランプを組み合
わせることにより、それぞれの相互作用によって、保温
膜の塗布範囲を小さくしてもランプの発光性能及び寿命
等を劣化させずに、光利用効率の高い照明手段を得るこ
とができる。
【００１３】尚、本発明の構成においては、球面鏡６の
光をランプに返す効率が良く、また充分な発光性能及び
寿命等が得られる場合には、前記保温膜１２は無くても
かまわない。また、球面鏡６に従来の保温膜１２の作用
を充分持たせるためには、該球面鏡６の反射面は、可視
光域のみを反射するダイクロイックミラーであるよりも
アルミ蒸着等により反射膜を形成する方が望ましい。
【００１４】次に、本発明における第一及び第二のレン
ズアレイの作用を図４を用いて説明する。
【００１５】図４は、本発明の照明手段のレンズアレイ
の作用を示す原理断面図である。
【００１６】同図に示す照明手段において、光源１より
出射した光は、第一のレンズアレイ２２に入射し第二の
レンズアレイ２３上で集光し、第二のレンズアレイを通
過後コンデンサレンズ７に入射し、液晶表示素子３を照
射する。その際、第一のレンズアレイ２２は、光源１の
発光部の像を第二のレンズアレイ２３位置に結像するよ
うに設定され、これにより第二のレンズアレイ２３を通
過する光束の幅を小さくし、その結果、光量が該第二の
レンズアレイ２３を通過する割合を大きくする作用を有
している。
【００１７】また、第二のレンズアレイ２３は、第一の
レンズアレイを構成する各レンズに対応した同数のレン
ズを有しており、該第一のレンズアレイ上の各レンズの
矩形開口形状をそれぞれに対応した第二のレンズアレイ
２３上レンズが液晶表示素子３上に結像させる作用を有
している。その結果、液晶表示素子３上を照射する光の
形状が矩形形状となり、画面全体が明るく、また中央に
対する周辺照度の比が高い見やすい画像を実現できる。
【００１８】図５は、本発明の第一のレンズアレイの形
状の一例を示すものである。
【００１９】同図に示すように、第一のレンズアレイを
構成する各レンズ部の形状が矩形形状となっており、液
晶表示素子を矩形の光スポットで照射することが可能と
なる。また、同図に示す黒点は第一のレンズアレイを構
成する各レンズの光軸を表しており、各レンズ光軸を各
レンズの矩形形状の中心からずらすことにより該第一の
レンズアレイ２２により第二のレンズアレイ２３上に集
光する光の位置を制御でき、該光軸位置を最適に設定す
ることで第二のレンズアレイ２３を小型にしながら、第
二のレンズアレイ２３を通過する光量を大きくすること
が可能となる。
【００２０】図６は、本発明における第二のレンズアレ
イの形状の一例を示すものである。
【００２１】同図に示すように、本発明における第二の
レンズアレイ２３は、該第二のレンズアレイ２３上の各
レンズの開口形状を四辺形及び五角形形状のもので構成
している。前記図３で示したようなランプを光源として
使用した場合には、通常、発光部の断面が楕円形状に近
くなり、その結果、第一のレンズアレイによりできる第
二のレンズアレイ上での該光源発光部の像は楕円に近い
ものとなる。そのため、第二のレンズアレイを構成する
レンズを矩形形状とすると、光の通過量が小さい部分す
なわちデッドスペースが多く存在し、そのため第二のレ
ンズアレイを大きくしなければならなくなったり、また
光利用効率が小さくなったりする問題点が生じる。本発
明では、図６に示すように第二のレンズアレイ上の各レ
ンズの開口形状を四辺形及び五角形形状とすることで前
記デッドスペースを小さくし、全体の大きさを小型にし
たまま、光利用効率の高い照明手段を得ている。
【００２２】以上述べた作用により、小型な液晶表示素
子を用いて、表示装置全体を小型化しても、明るくかつ
画面全体に渡って均一な画質性能の良い液晶表示装置が
実現できる。
【００２３】次に、本発明に係る投写型液晶表示装置の
具体的な全体構成について説明する。
【００２４】図７は、本発明における投射型液晶表示装
置の一実施形態を示す構成図である。
【００２５】本図に示す一実施形態は、液晶ライトバル
ブとして透過型液晶表示素子を所謂色の３原色であるＲ
（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の３色にそれぞれ対
応して、合計３枚用いた３板式投射型表示装置を示して
いる。本実施形態において、光源である例えばメタルハ
ライドランプであるようなランプ１０より出射した光
は、楕円面鏡５または球面鏡６に反射された後、第一の
レンズアレイ２２に入射する。第一のレンズアレイ２２
を通過した光は、第二のレンズアレイ２３を通過し、そ
の後、光軸に対して４５°の角度に配置されたＲ（赤
色）透過ダイクロイックミラー２４により、Ｇ（緑色）
とＢ（青色）の光は反射され、Ｒ（赤色）の光は透過す
る。反射したＲ光線は、全反射ミラー２９によりその光
路を折り曲げられてコンデンサレンズ７及び入射側偏光
板２０を通過し、対向電極，液晶等で構成された液晶表
示素子３Ｒに入射され、液晶表示素子３Ｒの光の出射側
に設けられた出射側偏光板２１及びフィールドレンズ８
を通過する。フィールドレンズ８を出射したＲ光線は、
Ｒ光線を通過させる作用を有するダイクロイックミラー
２６を通過し、Ｒ光線及びＢ光線を反射させる作用を有
するダイクロイックミラー２７で反射された後、例えば
ズームレンズのような投射手段４に入射する。一方、Ｒ
透過ダイクロイックミラー２４により反射されたＧ光線
とＢ光線は、Ｂ反射ダイクロイックミラー２５に入射
し、該ミラーによりＢ光線は反射し、コンデンサレンズ
７及び入射側偏光板２０を通過し、液晶表示素子３Ｂに
入射され、液晶表示素子３Ｂの光の出射側に設けられた
出射側偏光板２１及びフィールドレンズ８を通過する。
フィールドレンズ８を出射したＢ光線は、Ｂ光線を反射
させる作用を有するダイクロイックミラー２６で反射さ
れ、Ｒ光線とともにダイクロイックミラー２７で反射さ
れた後投射手段４に入射する。
【００２６】また、ダイクロイックミラー２５を通過し
たＧ光線は、コンデンサレンズ７及び入射側偏光板２０
を通過し、液晶表示素子３Ｇに入射され、液晶表示素子
３Ｇの光の出射側に設けられた出射側偏光板２１及びフ
ィールドレンズ８を通過する。
【００２７】フィールドレンズ８を出射したＧ光線は、
全反射ミラー２８により反射され、ダイクロイックミラ
ー２７を透過後Ｒ光線及びＢ光線とともに投射手段４に
入射する。以上により、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した
光線が色分離手段及び色合成手段により分離，合成さ
れ、投射手段４によりＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した液
晶表示素子上の画像を拡大し、スクリーン上に各色の画
像を合成し拡大した実像を得るものである。同図の３２
は電源回路、４３は映像信号回路を示し、また３３は吹
き出しダクトであり照明手段のケース１９等から風を吹
き出しファン３４に導く作用を有している。
【００２８】また、前記照明手段と前記投射手段は、そ
れぞれの光軸が互いに平行になるように配置し、さら
に、前記色分離手段と前記液晶表示素子及び前記色合成
手段とからなる色分離合成ユニット４４を介して電源回
路３２及び映像信号回路４２を同図に示すように配置す
ることにより、装置全体を小型化するとともに装置形状
が長方形の配置となり、該長方形の短い辺をスクリーン
側に向けて使用するような会議室などでの使用形態と適
合した形状にすることができる。
【００２９】本実施形態におけるランプ１０は、例えば
図３に示したようなメタルハライドランプである。尚、
ランプを含む照明手段の作用は上述の通りであり、ここ
では省略する。
【００３０】また、本実施形態における液晶表示素子３
として、例えば画面対角長が１インチクラスｐ−ＳｉＴ
ＦＴの透過型液晶パネルを用い、装置全体の小型化を実
現している。前記液晶表示素子３では、該表示素子への
光の入射する側及び出射する側それぞれに直線偏光光を
透過させる偏光子である入射側偏光板２０と該入射側偏
光板２０に対し９０°回転した偏光面を有する直線偏光
光を通過させる偏光子である出射側偏光板２１を設け、
液晶表示素子３における液晶の電気光学効果により偏光
面を回転させる作用と、前記偏光子である入射側偏光板
２０及び出射側偏光板２１の偏光成分の選択作用とを組
み合わせることにより、入射光の透過光量を制御して画
像情報を表示するようになっている。
【００３１】図７の１９は、照明手段のケースを示して
いる。ランプの寿命等により表示装置として充分な明る
さ等の画質性能が得られなくなった場合には、ケース１
９ごと交換することが可能である。このような構成を備
える表示手段の具体例を図８用いて説明する。
【００３２】図８は、本発明に係る投射型液晶表示装置
に適用される照明手段の一具体例を示す断面構成図であ
る。
【００３３】同図に示す例においては、反射鏡の押え板
３６を介して前記楕円面鏡５と球面鏡６が配置された構
成とし、これにより、前記楕円面鏡５と球面鏡６の位置
を精度良く設置できるようにしている。特に、小型な液
晶表示素子を用いた場合、また光利用効率の高い場合に
は、楕円面鏡５と球面鏡６等の位置精度が厳しいものと
なるため、１つの部材を介して配置するのが有効であ
る。また、図７に示す例では、前記押え板３６を別の部
材３５及び３７で挟み込む構造としており、これにより
製造時の取付け作業を容易に行なえるようにしている。
【００３４】尚、本発明の構成において、前記楕円面鏡
５，球面鏡６，第一のレンズアレイ，第二のレンズアレ
イ，コンデンサレンズ７あるいはフィールドレンズ８の
いずれかもしくは複数に、近軸にたいして周辺部形状を
変化させた形状を持たせることにより、画面照度の均一
性，あるいは光利用効率の向上等に有効である。例え
ば、コンデンサレンズ７の光軸中心部が平面に近い非球
面形状にした場合には、中央に対する周辺の照度比がさ
らに高くなり、画面の照度均一性が向上する。
【００３５】
【発明の効果】上記の様に、本発明によれば、光源から
出射される光の利用効率が高くることができ、明るくか
つ画質性能が良い小型の投射型液晶表示装置が実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投射型液晶表示装置の光学系構成図。
【図２】本発明の投射型液晶表示装置の要部を示す原理
断面図。
【図３】本発明の投射型液晶表示装置における光源の一
実施例を示す構成図。
【図４】本発明の投射型液晶表示装置における照明手段
の原理断面図。
【図５】本発明の投射型液晶表示装置の要部を示す原理
断面図。
【図６】本発明の投射型液晶表示装置の要部を示す原理
断面図。
【図７】本発明の投射型液晶表示装置の一実施形態を示
す構成図。
【図８】本発明の投射型液晶表示装置に適用される照明
手段の一具体例を示す構成図。
【符号の説明】
１…光源、２…照明手段、３…液晶ライトバルブ、４…
投射手段、５…楕円面鏡、６…球面鏡、７…コンデンサ
レンズ、８…フィールドレンズ、９…スクリーン、１０
…ランプ、１１…電極、１２…保温膜、１３…発光管、
１４…リード線、１５…箔、１６…口金、１７…発光
部、１８…光軸、１９…ケース、２０…入射側偏光板、
２１…出射側偏光板、２２…第一のレンズアレイ、２３
…第二のレンズアレイ、２４〜２７…ダイクロイックミ
ラー、２８，２９…全反射ミラー、３０…筐体、３１…
スピーカ、３２…電源回路、３３…吹き出しダクト、３
４…吹き出しファン、３６…押え板、４３…映像信号回
路、４４…色分離合成ユニット。
フロントページの続き (72)発明者 丸山 竹介 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像情報メディア事業部内 (72)発明者 小沼 順弘 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像情報メディア事業部内 (72)発明者 松田 裕 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像情報メディア事業部内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光源を有し、該光源からの出射光を被照射
    面上に照射させる作用を有する照明手段と、光を変調す
    る液晶表示素子と、該液晶表示素子から出射した光を投
    射する投射手段とを有する投射型液晶表示装置におい
    て、前記照明手段は少なくとも１つの楕円面鏡と１つの
    球面鏡とを有し、かつ前記照明手段は光源側より複数の
    レンズが光軸に垂直に配列された第一のレンズアレイと
    第二のレンズアレイとを有していることを特徴とする投
    射型液晶表示装置。
  2. 【請求項２】前記照明手段の光源側に設置された第一の
    レンズアレイを構成する各レンズは矩形形状を有し、か
    つ該レンズの光軸が該矩形形状の中心に存在しないレン
    ズを少なくとも１つ設けていることを特徴とする請求項
    １に記載の投射型液晶表示装置。
  3. 【請求項３】前記照明手段の前記液晶表示素子側に設置
    された第二のレンズアレイを構成するレンズの少なくと
    も１つは矩形形状を有し、かつ該レンズの光軸が該矩形
    形状の中心に存在しないことを特徴とする請求項１また
    は請求項２に記載の投射型液晶表示装置。
  4. 【請求項４】前記第二のレンズアレイを構成するレンズ
    は、少なくとも１つの四辺形形状を有するレンズと少な
    くとも１つの五角形形状を有するレンズとからなること
    を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の投射型
    液晶表示装置。
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