JPH0943562A

JPH0943562A - 投影型カラー液晶表示装置

Info

Publication number: JPH0943562A
Application number: JP7195608A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Furusawa; 康弘古澤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】投影型カラー液晶表示装置１００において、
白色光源１と楕円反射鏡２によって集光される光束の取
り込み量を、縦長画素の対応させて増大する。【解決手段】白色光源１を楕円反射鏡２で集光し、そ
の光束をダブルテーパーロッド４で取り込み、その出射
面像を液晶表示素子９へ拡大結像させるとともに、該白
色光源１からの白色光を３枚のダイクロイックミラー
７、８、９で分光し、マイクロレンズ１０により各画素
へ収束させ、これによって得られる画像を、拡大投影す
る投影型カラー液晶表示装置において、上記ダブルテー
パーロッド４を、水平方向と垂直方向で逆向きのテーパ
ー角を有する構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影型カラー液晶表
示装置に関し、特にモザイクあるいはストライプ状のカ
ラーフィルタを用いないで一枚の液晶表示素子により、
カラー表示を行う単板式のものに関する。この単板式の
投影型カラー液晶表示装置は、特にコンパクトな投影型
カラー液晶テレビジョンシステムや情報表示システムに
適用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の液晶表示装置について説
明する。図１７は従来の投影型カラー液晶表示装置の構
成図、図１９は該液晶表示装置における液晶表示素子
（液晶表示パネル）の側断面図、図２０は該液晶表示装
置における要求平行度の維持原理の説明図、図２１
（ａ）はアスペクト比４：３の液晶表示素子の画素開口
部形状を示す図、図２１（ｂ）はアスペクト比１６：９
の液晶表示素子の画素開口部形状を示す図である。

【０００３】図１７において、２００は従来の投影型カ
ラー液晶表示装置で、これは、白色光を発生する白色光
源１と、この白色光源からの白色光束を集光する楕円反
射鏡２と、この集光される光束の平行度を制限する光束
制限手段１３と、該楕円反射鏡２と光束制限手段１３と
の間に設けられ、該白色光束に含まれる熱線及び紫外線
を除去するＵＶ，ＩＲカットフィルタ３とを有してい
る。

【０００４】上記光束制限手段１３の出射面側には、そ
の出射端面像を液晶表示素子９に拡大結像させるレンズ
群５が設けられ、さらに該レンズ群５と液晶表示素子９
との間には、白色光束を互いに異なる波長域を有する複
数の光束に分割する光束分割手段として、赤，緑，青
（以降単にＲ，Ｇ，Ｂとする）反射ダイクロイックミラ
ー６，７，８が設けられている。

【０００５】また、上記液晶表示素子９は、その光源側
に設けられた、上記複数の光束を各波長域に対応する液
晶表示素子の画素開口部に収束させるマイクロレンズア
レイ１０を有しており、該液晶表示素子９の光出射側に
は、液晶表示素子により変調された複数の光束をスクリ
ーン等の被投影部材１２上に投影する投影手段（投影レ
ンズ）１１が設けられている。

【０００６】ここで上記マイクロレンズアレイ１０は、
個々のマイクロレンズ１０ａを、図１９に示すように液
晶表示素子の１組のＲ，Ｇ，Ｂ画素９ｂＲ，９ｂＧ，９
ｂＢに、１つのレンズ１０ａが対応するよう並べてなる
もので、それぞれ異なった角度で入射するＲ，Ｇ，Ｂ光
を、対応するＲ，Ｇ，Ｂ画素に集光するようになってい
る。なお、図１９中、９ａは対向ガラス、９ｂは液晶層
である。また、符号９ｇは上記３つの画素９ｂＲ，９ｂ
Ｇ，９ｂＢの各々に対応するもので、説明の都合上、該
画素９ｂＲ，９ｂＧ，９ｂＢを区別しない場合に用い
る。

【０００７】このような構成の従来の液晶表示装置２０
０では、楕円反射鏡２の第１焦点近傍に配置された白色
光源１の光束を楕円反射鏡２で反射し、ＵＶ，ＩＲカッ
トフィルタ３で熱線及び紫外線を除去し、該フィルタ３
の透過光束を、第２焦点近傍に配置された光束制限手段
１３に集光する。この光束制限手段１３の出射面側に
は、レンズ群５が配置されており、該光束制限手段１３
からの出射光は、該レンズ群５により集光されて液晶表
示素子９に結像される。

【０００８】ここで、液晶表示素子に入射する光束の入
射角θinは、図２０に示すようにθin＝α／Ｍとなる。
αは光束制限手段１３から出射する光束の出射角で、Ｍ
は光束制限手段１３の開口１３ａに対応する出射面像を
液晶表示素子面１５に結像する際の拡大倍率である。な
お、９ｃは、該液晶表示素子９の画像表示範囲である。

【０００９】そして、光束制限手段１３から出射した光
束は、光軸に対しその仰角が互いに異なるよう配置され
た光束分割手段としての、Ｒ，Ｇ，Ｂ反射ダイクロイッ
クミラー６，７，８により、それぞれ光軸に対する傾き
及び波長域の異なる３つの光束に分光される。分光され
たＲ，Ｇ，Ｂ光は、液晶表示素子９のマイクロレンズア
レイ１０に入射する。

【００１０】このマイクロレンズアレイ１０では、それ
ぞれ異なった角度で入射するＲ，Ｇ，Ｂ光が、対応する
Ｒ，Ｇ，Ｂ画素に集光される。

【００１１】従って、Ｒ，Ｇ，Ｂ光は、液晶表示素子９
によりＲ，Ｇ，Ｂ各原色の映像信号に対応した光学像に
強度変調されて、投影レンズ１１によりスクリーン１２
に投影され、該スクリーン１２上にカラー画像が形成さ
れる。

【００１２】ところで、この種の投影型カラー液晶表示
装置においては、液晶表示素子９への光の入射角θinが
重要となる。なぜならば、上記のようにマイクロレンズ
アレイ１０によって、各色の画素に対応する色の光束を
収束させるには、液晶表示素子面に対して決められた角
度で光束を入射させる必要がある。さもなければ、光束
は画素間に照射されるか、最悪の場合は隣接する画素内
に入射してしまい、色純度の大幅な低下を招来するから
である。

【００１３】そこで、要求される光束の入射角度（以
下、平行度ともいう。）θinは、図２２（ａ）に示すよ
うに画素の大きさによって決定される。すなわち、入射
角度θinは、θin＝tan^-1（ｇｈ／ｇｄ）となる。ここ
で、ｇｄはマイクロレンズ１０ａから画素までの距離、
ｇｈ，ｇｖはそれぞれ画素の水平方向，垂直方向の寸法
である。図２２（ａ）では１つの画素について示してい
るが、他の隣接する画素についても同様である。従っ
て、この入射角度θinなる角度を越えて光束を入射させ
てはならず、必然的に光速制限手段１３を設けなければ
ならない。

【００１４】そこで、従来方式では、この入射角度θin
を作り出すために光束制限手段１３としてアパーチャを
用い、前記した拡大倍率Ｍとの間で成立する、アパーチ
ャ出射角αで示すとα＝Ｍ・θin以上となる光束を液晶
表示素子９に入射させないようにしている。

【００１５】該出射角αの制限は、図２２（ｂ）に示す
ように、楕円反射鏡２の端面及びアパーチャ１３間の距
離ｌと楕円反射鏡２の開口径φを、α＝tan^-1（φ／２
ｌ）に基づいて設定することにより行うことができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図２３に示す液晶表示
素子９に対する入射光束の要求平行度θin，液晶表示素
子９における光束照射面９ｃ（ｈ₂×ｖ₂）を具体的な値
に設定した場合について以下に説明する。

【００１７】例えば、画素の大きさ、つまりｇｈ₁（水
平方向の寸法），ｇｖ₁（垂直方向の寸法）より、要求
平行度がθin＝±５°となるとき、光束照射面９ｃの大
きさをｈ₂×ｖ₂＝７０×５０ｍｍ（アスペクト比４：３
の３インチ液晶パネル程度に必要な照射面）、拡大倍率
をＭ＝８倍とすれば、画素９ｇに対するマイクロレンズ
スポット１７、アパーチャ１３の開口の大きさ、アパー
チャ入射角（出射角）と楕円反射鏡との関係、及び楕円
反射鏡の光束取り込み部分は、図２４のＡ欄に示すよう
になる。なお、楕円反射鏡端面とアパーチャ間の距離は
４０ｍｍ，楕円反射鏡によって生じる集光スポット１６
はアパーチャ内にほとんど取り込めるとする。

【００１８】図２４のＡ欄に示すように、水平方向、垂
直方向ともに要求平行度θinが概略同じであれば、楕円
反射鏡の光束取込み部分を効率よく使用できるが、そう
でない場合は問題が生じる。

【００１９】ところで、最近の映像表示装置において
は、高精細化、画面のワイド化（アスペクト比１６：
９）が要求されており、このような要求は液晶表示装置
に対しても当然のこと例外ではない。特に投影型液晶表
示装置においては、機器のコンパクト化、画素の高密度
化が重要である。

【００２０】このような背景において前記方式の単板式
投影型液晶表示装置では、要求平行度θinがより小さく
なることに対する対処、また、水平解像度向上による水
平方向画素数の増大に伴う縦長の画素に対する対処をし
なければならない。

【００２１】例えば、前記の要求平行度θin＝±５°が
水平方向と垂直方向とで異なるものとなった場合、つま
り水平方向要求平行度θinｈ＝±４°，垂直方向要求平
行度θinｖ＝±５°となった場合について同様に考える
と、図２４のＢ欄に示すように当然のことながら、水平
方向と垂直方向とでは、画素における楕円反射鏡の光束
取込み部分が異なることになり、水平方向では垂直方向
に比べて小さくなる。つまり図中の斜線部が使用できな
くなる。楕円反射鏡の光取込み部分の欠如は、そのまま
アパーチャ入射光束の断面積の低下に相当する現象を招
来するので、光利用効率が低下することになる。なお、
図２４中の具体的な寸法値の単位はｍｍである。

【００２２】これを解決する手法として以下のような報
告がなされている。すなわち、この手法は、光束制限手
段であるガラスロッドを、図２５（ａ）に示すように入
射面と出射面が同一となる形状にはせず、テーパー状に
するというものである。

【００２３】図１８は、光束制限手段としてガラスロッ
ド１４を用いた液晶表示装置２０１を示しており、図１
７と同一符号は同一のものを示している。

【００２４】ここでは、具体的には、図２５（ａ）に示
すように、入射面１８の水平方向の寸法は出射面１９の
水平方向の寸法よりも小さく（テーパー角βが生じてい
る）、垂直方向の寸法については、図２５（ｂ）に示す
ように入射面１８と出射面１９とで同じにしたガラスロ
ッド（以下テーパーロッドという。）１４を使用してい
る。

【００２５】これによると、出射面の水平方向長Ａｐｈ
₁と入射面の水平方向長さＡｐｈ₂により、入射面から出
射面へ直接出射する光束の最大出射角がα１となるよう
にテーパーロッド長Ｌlを決定している。

【００２６】一方、テーパーロッド長Ｌlが決まれば、
テーパー角βは β＝tan^-1｛（Ａｐｈ₁−Ａｐｈ₂）／（２・Ｌl）｝となる。βが決まればテーパー面Ｔｅで反射する光束
は、ガラス内部の角度において２・β分だけ平行度が向
上することになる。言い換えれば、２・β分だけ要求平
行度α１より大きい角度α２で、光束を入射することが
できることになる。すなわち、 α２＝sin^-1｛ｎｇ・sin（ｇα₁＋２・β）｝なる角度が水平方向の要求平行度に対する最大入射角と
なる。ここでｎｇはガラスの屈折率、ｇα₁はα₁に対す
る屈折角（sin^-1｛sin（α₁）／ｎｇ｝）である。こ
こで前記の例のように、水平方向の要求平行度θinｈ＝
±４°，垂直方向の要求平行度θinｖ＝±５°，拡大倍
率Ｍ＝８倍の場合について考えると、上記テーパロッド
の具体的寸法は、図２６（ａ）〜図２６（ｄ）に示すよ
うになる。

【００２７】すなわち、テーパーロッド入射面水平方向
長Ａｐｈ₂＝６．２５ｍｍ，出射面水平方向長Ａｐｈ₂＝
８．２５ｍｍとしたとき、水平方向最大入射角α１は３
２°であるため、テーパーロッド長Ｌlは、ガラス屈折
率ｎｇ＝１．５２とすれば、Ｌl＝tan（θｇ）・｛（８．２５＋６．２５）／２｝＝１９．４９ｍｍ θｇ＝sin^-1｛sin（３２）／１．５２）＝２０．４０° となる。よってテーパー角βは、 β＝tan^-1｛（８．２５−６．２５）／（２・１９．４９）｝＝２．９４° となる。よって拡張入射角α２は、 α２＝sin^-1｛１．５２・ｓｉｎ（２０．４０＋２・２．９４）｝＝４２．３° となる。従って、水平方向の楕円反射鏡の取込み部分を
大きくすることができ、縦長画素であっても光利用効率
の低下を招来することなく、必要平行度を維持すること
ができる。

【００２８】しかしながら、前記の例のように楕円反射
鏡による集光スポット径が、考えるテーパーロッド入射
面よりも十分小さいときは、上記手法で十分であるが、
そうでない場合は水平方向にテーパー角をつけても、光
利用効率の向上があまり見込めない場合が発生する。

【００２９】すなわち、図２７（ａ）、（ｂ）に示すよ
うにロッド入射面が楕円集光スポット１６よりも大きく
なる場合、光利用効率の向上があまり見込めない。な
お、前記の例のように楕円集光スポットがロッド入射面
より小さい場合よりも、大きくなる場合の方がより現実
的である。このことは本発明の実施の形態において説明
する。

【００３０】このような状態からさらに画素が垂直方向
にのみ大きくなったとすれば、その対応策として、拡大
倍率を小さくしてロッド入射面を大きくするか、拡大倍
率をはそのままにして垂直方向の楕円取り込み角のみ大
きくするかのどちらかである。

【００３１】前者の場合、図２７（ａ）のように、垂直
方向の要求平行度が緩くなることから、倍率を下げるこ
とによってテーパーロッド入射面１８を大きくすること
ができる。これにより、元来取り込めなかったスポット
内の光束が取り込めることになる。

【００３２】一方、テーパーロッド入射面の水平方向の
寸法も大きくなるが、要求平行度は変化しないため倍率
を下げた分、許容されるロッド最大出射角は小さくな
る。そうすると元来のテーパー角では、その最大出射角
が実現できなくなる。従って、より大きなテーパーをつ
けなければならず、結局テーパーロッド入射面の水平方
向の寸法は小さくなる。必要なテーパー角によっては、
元来のものよりも小さくなる可能性もある。

【００３３】後者の場合、図２７（ｃ）のように垂直方
向のみ楕円取り込み部分を、直径φａのものから直径φ
ｂのものへ大きくできるが、水平方向はそのままである
ので取り込み部分のカットラインＬｓは変化せず、従っ
て、実際の光束取り込み光量は、直径φａのものから直
径φｂのものに取り込み部分を大きくしたことによって
得られる光束の内、面積比Ｓ₁／Ｓ₂の分しかないことに
なる。

【００３４】以上のように、従来方式及びその改善策で
あるテーパーロッド方式は、縦長画素になって垂直方向
の平行度があまくなっても、光利用効率の向上は困難で
ある。

【００３５】本発明は、上記した従来の問題点に鑑みな
されたものであって、画素の形状にとらわれず光利用効
率の向上を実現し、高輝度のフルカラー画像を実現する
投影型カラー液晶表示装置を提供することを目的として
いる。

【００３６】

【課題を解決するための手段】この発明（請求項１）に
係る投影型カラー液晶表示装置は、白色光を発生する白
色光源と、該発生された白色光を集光する集光手段と、
該集光される白色光束の平行度を調整する光束調整手段
と、該光束調整手段の出射面像が液晶表示素子の表示面
上に拡大結像するよう、該光束調整手段からの白色光束
を処理する結像処理手段と、該液晶表示素子の表示面上
に入射する白色光束を、互いに異なる波長域を有する複
数の光束に分割する光束分割手段と、該液晶表示素子の
光源側に設けられ、該複数の光束を各波長域に対応する
液晶表示素子の画素開口部に収束させるマイクロレンズ
アレイと、該液晶表示素子により変調された複数の光束
を被投影部材上に投影する投影手段とを備えている。そ
して、上記光束調整手段は、少なくとも、該白色光束の
光軸に垂直な第１の方向では、該白色光束がより集光角
あるいは発散角が大きいものとなり、該白色光束の光軸
に垂直な第２の方向では、該白色光束がより平行光束に
近いものとなるテーパ構造を有している。そのことによ
り上記目的が達成される。

【００３７】この発明（請求項２）は、請求項１記載の
投影型カラー液晶表示装置において、前記光束調整手段
を、角柱形状を有する光学部材から構成し、該光学部材
の光入射側端面及び光出射端面を、水平方向の寸法が入
射側の方では出射側より小さく、垂直方向の寸法が入射
側で出射側より大きい形状、あるいは水平方向の寸法が
入射側の方では出射側より大きく、かつ垂直方向の寸法
が入射側で出射側より小さい形状としたものである。

【００３８】この発明（請求項３）は、請求項１記載の
投影型カラー液晶表示装置において、前記光束調整手段
を、ガラスまたは樹脂などの透明導光材料をロッド状に
形成して構成したものである。

【００３９】この発明（請求項４）は、請求項１記載の
投影型カラー液晶表示装置において、上記光束調整手段
を、該光学部材の内面が反射鏡となっている中空構造の
部材から構成したものである。

【００４０】以下作用について説明する。

【００４１】この発明においては、白色光を発生する白
色光源と、該発生された白色光を集光する集光手段と、
該集光される白色光束の平行度を調整する光束調整手段
と、該光束調整手段の出射面像が液晶表示素子の表示面
上に拡大結像するよう、該光束調整手段からの白色光束
を処理する結像処理手段とを備え、該光束調整手段を、
少なくとも、該白色光束の光軸に垂直な第１の方向で
は、該白色光束がその集光角あるいは発散角がより広い
ものとなり、該白色光束の光軸に垂直な第２の方向で
は、該白色光束がより平行光束に近いものとなるテーパ
構造を有する構成としたから、例えば、縦長の画素を有
する液晶表示素子に対しては、白色光束の集光角あるい
は発散角が、その平行度に余裕のある垂直方向では広が
り、その平行度に余裕のない水平方向では狭まるテーパ
構造とすることができる。これにより該テーパ構造の光
入射端面の垂直方向の寸法が光出射端面のものに比べて
大きくし、しかも水平方向に対しては、白色光束の平行
度をより高く維持でき、楕円集光スポットの縦長画素へ
の取り込み量を効果的に増大することができる。

【００４２】また、上記光束調整手段を、ガラス等をロ
ッド状に形成して構成することにより、光束調整手段で
の光源光の減衰を低減することができる。

【００４３】さらに、上記光束調整手段を、光学部材の
内面が反射鏡となっている中空構造の部材から構成する
ことにより、ガラスロッドに比べて製造コストの低減を
図ることができる。

【００４４】

【発明の実施の形態】まず、本発明の基本原理について
説明する。

【００４５】本発明の投影型カラー液晶表示装置におい
ては、光束制限手段は、白色光束の光軸を含む、少なく
とも２つの平面におけるテーパー角を有している。例え
ば、上記光束制限手段は、角柱形状をなし、入射側水平
方向の長さは出射側よりも短く、入射側垂直方向の長さ
は出射側よりも長い、傾斜方向が逆方向のテーパー構造
を有するロッド状部材（以降、ダブルテーパーロッドと
いう。）からなる。

【００４６】このような構成のダブルテーパーロッド
は、例えば、ガラスで構成することができる。ここでガ
ラスは高耐熱、高透過率のものが好ましく、例えば石英
やＢＫ７などを用いることができる。このＢＫ７は、数
多くある光学ガラスの中の一種であり、可視光領域にわ
たって高透過率を有する光学ガラスである。これは、ガ
ラスレンズ等でよく使用されているものである。また、
光学ガラスは波長スペクトル特性の違いによってグレー
ド分けされており、ＢＫ７、石英はそれぞれグレード分
けされた光学ガラスのうちの１つである。ちなみに、石
英は、ＢＫ７の場合よりもさらに紫外領域にも高透過率
を有するというものである。

【００４７】図２は、ダブルテーパーロッドの原理説明
図であり、図２（ａ）はダブルテーパーロッドの水平方
向の断面図、図２（ｂ）はその垂直方向の断面図、図２
（ｃ）はその入射面２０を示す図、図２（ｄ）はその出
射面２１を示す図、図２（ｅ）はその斜視図である。

【００４８】上記ダブルテーパーロッド４は、その出射
面２１のサイズはＡｐｈ₁×Ａｐｖ₂であり、この出射面
２１は、この面に形成された像が、従来のテーパロッド
と同じように、後段の液晶表示素子面へ結像される面で
ある。また、上記ロッド４の入射面２０のサイズは、Ａ
ｐｈ₂×Ａｐｖ₂であり、入射面２０の四隅の角は、水平
テーパー角β、垂直テーパー角γなる角度でもって、出
射面２１の四隅とつながっている。ここでは、Ａｐｈ₂
＜Ａｐｈ₁，Ａｐｖ₂＞Ａｐｖ₁の関係が満たされてい
る。つまり、テーパー角β、γは互いに逆方向のテーパ
ー角となっている。

【００４９】また、テーパー角β、γ及びテーパーロッ
ド長Ｌlは以下のように決定する。但し、水平方向テー
パー角βとテーパーロッド長Ｌlは、従来のテーパーロ
ッド方式と、同様の考えで設定しているため、説明は省
略する。そこで、垂直方向テーパー角γについて、図３
を用いて説明する。

【００５０】図３（ａ）はダブルテーパーロッドの垂直
方向角度制限を示す原理図、図３（ｂ）はその要部Ｐの
拡大図である。

【００５１】図３によれば、従来のテーパーロッド方式
では、垂直方向においてテーパーがついていないため、
α１なる角度で入射した光束はそのままの角度で出射す
る（点線部参照）。

【００５２】これに対し本発明のダブルテーパーロッド
方式のように、垂直方向にもテーパー角γをつけた場
合、入射面の垂直方向のサイズは、Ｖｐ＝Ｌl・tan
（γ）だけ大きくなる。但し、このとき水平方向とは、
逆にテーパー角がついているため、出射側垂直方向の平
行度は悪くなる。ここで、入射角α１、出射角α２、垂
直テーパー角γ、および入射側垂直方向伸長部Ｖｐの関
係式を以下に示す。この関係式では、ｎｇはガラス屈折
率、θｇ₁は屈折角である。

【００５３】θｇ₁＝sin^-1｛sin（α１）｝ γ＝０．５・sin^-1｛sin（α２／ｎｇ）−θｇ₁｝例えば、入射角α１＝２０°、出射角α２＝２４°、ロ
ッド長Ｌｌ＝３０ｍｍ、ガラス屈折率ｎｇ＝１．５２と
したとき、垂直テーパー角γ及び垂直方向伸長部Ｖｐ
は、それぞれ γ＝１．２６° Ｖｐ＝０．６６ｍｍとなる。よって垂直方向長Ａｐｖ₂はＡｐｖ₂＝Ａｐｖ₁＋２・Ｖｐとなり、２・Ｖｐだけ伸長できることになる。

【００５４】このように本発明のダブルテーパーロッド
方式は、垂直方向平行度を低下させる代わりに入射面を
大きくして、より多くの光束を取り込み、結果的に入射
光束の増加による光利用効率の向上を実現するものであ
る。

【００５５】また、このような構成のダブルテーパーロ
ッドは、例えば、内面が反射ミラーとなっている中空部
材で構成することもできる。上記反射ミラーは高反射率
を有する金属（例えばアルミ、銀など）を基板に蒸着し
たものを貼り合わせて形成したり、金属自体を折り曲げ
て加工するなどして形成することができる。なお、この
ような中空構造のダブルテーパーロッドについても、そ
の原理は前記のガラスロッドにおける反射、屈折より求
めた関係式が、空気中での光導波の現象に対応するもの
に置換されるだけで、その原理の基本概念は同一であ
る。

【００５６】次に本発明の実施の形態について説明す
る。

【００５７】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１による投影型カラー液晶表示装置を示しており、図
において、１００は本実施の形態の投影型カラー液晶表
示装置であり、この液晶表示装置１００は、光束制限手
段として、ガラスからなるダブルテーパーロッド４を用
いている。なお、図１７と同一符号は、従来の投影型カ
ラー液晶表示装置と同一のものを示している。

【００５８】次に動作について説明する。

【００５９】なお、白色光源１から出射された白色光
が、楕円反射板２、ＵＶ，ＲＦカットフィルタ３、ダブ
ルテーパーロッド４、結合レンズ群５、ダイクロイック
ミラー６，７，８を介して、液晶表示素子９に到り、こ
こで変調された光が投影レンズ１１を介してスクリーン
１２上に投影される基本動作は、従来のものと同一であ
るので、その詳細な説明は省略する。

【００６０】以下には、光束調整手段としてのダブルテ
ーパーロッド４による作用効果について、従来のテーパ
ロッドと対比させて説明する。

【００６１】上記光束制限手段として、ダブルテーパー
ロッド４を用いた光学系において、例えば、図４（ｂ）
に示すように液晶表示素子への入射角（以降パネル入射
角という。）θin＝±２．６°であり、すなわち、マイ
クロレンズ１０ａによって±２．６°相当のマイクロレ
ンズスポット１７が画素９ｇ上に形成されるとする。こ
のとき、楕円反射鏡２の端面Ｅ１と、その第１焦点Ｆ１
を結ぶ直線が、光軸２１となす角Ｌθ（以降、光源取り
込み角という。）（図４（ａ）参照）に対して、必要な
拡大倍率Ｍを算出した結果を図５に示す。

【００６２】なお、パラメータとして楕円反射鏡の倍率
（第２焦点距離ｆ₂／第１焦点距離ｆ₁）（以下、楕円倍
率ともいう。）を３、５、７とし、第１焦点距離ｆ₁は
２２ｍｍとする。

【００６３】図５より以下のことがわかる。光源取り込
み角Ｌθを大きくしようとすると、拡大倍率Ｍは大きく
なり、すなわちアパーチャが小さくなる。一方、光源取
り込み角Ｌθを小さくすると、拡大倍率も小さくなり、
すなわちアパーチャが大きくなる。また、楕円倍率が小
さいほど拡大倍率を大きくしなければならない。このこ
とから、アパーチャ入射光束を増やそうとするとアパー
チャは小さくなるので、その入射光束を取り込める可能
性は低くなるというトレードオフの関係になる。

【００６４】一方、光源１は、図６に示すように線状光
源であるから、第２焦点Ｆ２上に集光スポット１６が存
在し、そのスポット径Ｄｓ及びスポット光束分布は、光
源１のアーク長ＡＬ（電極１ａ間の距離）、アーク径Ａ
ｗおよびアーク内強度分布に依存する。

【００６５】そこで、現在、投影型カラ一液晶表示装置
の光源として使用されているメタルハライドランプを想
定した光線追跡シミュレーションを行った。

【００６６】なお、このシミュレーションは、図７
（ａ）に示す光源でのアーク強度分布、アーク長、アー
ク径、図７（ｂ）の光源配光分布の光源特性を利用し、
光線を、光源１つにつき１度から３６０度内を１度間隔
で光を放射するものとした場合の、第２焦点面での光束
及びその分布を算出するものである。ここでは、楕円倍
率３、５、７をパラメータとしている。

【００６７】また、液晶表示素子への照射面を、９０×
５６ｍｍ（このサイズは、アスペクト比１６：９の４イ
ンチ程度の液晶パネルを照射するのに必要な大きさであ
る。）としたときに設定されるアパーチャの大きさよ
り、そのアパーチャ内への入射光束も算出した。

【００６８】これは図７（ｃ）に示すように、楕円反射
鏡集光スポット１６の強度分布２２を同心円で等分割
し、各領域内の光束のうちアパーチャが取り込む光束を
積分したものである。

【００６９】以上より、光源取り込み角Ｌθに対する、
楕円集光スポット径Ｄｓ、スポット光束Ｓｌｍ，アパー
チャ入射光束（テーパロッド出射端面での光束）Ａｌｍ
の特性を図８に示す。

【００７０】図８によれば、前記したように楕円集光ス
ポットＳｌｍは、光源取り込み角Ｌθを大きくすること
によって増加するが、アパーチャが小さくなるためその
ほとんどを取り込むことができず、結局アパーチャ入射
光束Ａｌｍは小さくなる。

【００７１】逆に、光源取り込み角Ｌθを小さくすれば
楕円集光スポットＳｌｍは減少するが、アパーチャが大
きくなるためそのほとんどを取り込める。このことは楕
円倍率を変えても同じである。

【００７２】そこで、図９に、楕円倍率５のときの光源
取り込み角Ｌθがそれぞれ７０°、９０°、１１０°、
１３０°での必要なアパーチャサイズＨ（水平）×Ｖ
（垂直）及び楕円集光スポット１６のスポット径Ｄｓ＝
１０．５の関係図（実線がアパーチャサイズ）を示す。
ここで、１３はアパーチャ面（テーパロッド出射面）、
１８は後述するテーパロッド入射面である。

【００７３】ところで、以上のことはパネル入射角θin
＝±２．６°の場合であるので、ここで縦長画素になっ
た場合を考える。

【００７４】この場合、水平方向パネル入射角をθinｈ
＝±２．０°、垂直方向パネル入射角をθinｖ＝±２．
６°とする。すると垂直方向は±２．６°のままである
が、水平方向は±２．０°であるので、水平方向は楕円
取り込み部分を小さくしてアパーチャ入射角αを小さく
するか、テーパーロッド方式のようにロッド入射面を小
さくするかのどちらかである。

【００７５】そこで、後者の場合を考えて、図９の各光
源取り込み角Ｌθにしたときのアパーチャ入射角αから
必要な水平方向テーパー角を算出し、これによって得ら
れるテーパーロッド入射面サイズより、前記図７（ｃ）
と同様にテーパーロッド入射光束Ｔｌｍを算出したもの
を図８に示す。

【００７６】また、テーパーロッド入射面１８と集光ス
ポット１６の関係図を図９に示す。ここでは、破線がテ
ーパーロッド入射面１８で、実線はアパーチャ面１３、
すなわちテーパーロッド出射面である。

【００７７】図８によれば、スポット光束Ｓｌmに比べ
て、テーパーロッド入射光束Ｔｌmはほとんど変化しな
いことから、光源取り込み角Ｌθを大きくするほど、テ
ーパーロッドの効果が減少することを意味する。すなわ
ち、取り込み角度が増えても水平方向テーパー角の操作
だけでは入射光束の向上，つまり光密度の増大が極めて
困難であることを意味する。この原因が入射面の水平方
向のサイズが小さくなってしまうことにあるのは明白で
ある。

【００７８】次に、画素が更に縦長の画素になった場合
について考える。このとき水平方向パネル入射角をθin
ｈ＝±２．０°、垂直方向パネル入射角をθinｖ＝±
３．１°とし、これらと上述した入射角θinｈ＝２．０
°，θinｖ＝２．６°を比較すると、垂直方向について
は要求平行度はあまくなったので、入射光束の向上を見
込めるはずである。

【００７９】そこで、光源入射角（光源取り込み角）が
７９．８°、９８．２°の場合において、テーパーロッ
ド方式と、本発明のダブルテーパーロッド方式とについ
て入射光束の向上率をシミュレーションした。

【００８０】以下、このシミュレーションについて詳述
する。

【００８１】上記各ロッド方式におけるロッドのテーパ
ー角、ロッド長の決定法を、図１０、図１１、図１２に
示す。なお、図に示したのは光源取り込み角が９８．２
°の場合である。また、楕円倍率も前記と同様に５倍と
する。

【００８２】すなわち、図１０は、水平方向パネル入射
角θinｈ＝±２．０°、垂直方向パネル入射角θinｖ＝
±２．６°、拡大倍率１０のときのテーパーロッド方式
での設計パラメータを示す。図１１は水平方向パネル入
射角θinｈ＝±２．０°、垂直方面パネル入射角θinｖ
＝±３．１°、拡大倍率８．４のときのテーパーロッド
方式での設計パラメータを示す。また、図１２は水平方
面パネル入射角θinｈ＝±２．０°、垂直方向パネル入
射角θinｖ＝±３．１°、拡大倍率１０のときのダブル
テーパーロッド方式での設計パラメータを示している。

【００８３】図１０に示すテーパロッド方式では、楕円
５倍で光源取り込み角が９８．２度のとき、第２焦点に
集光する光束の入射角αは±２６．０度となる（図１０
（ａ）参照）。これをパネル入射角が±２．６度となる
ようにするには、必然的に拡大倍率を１０倍としなけれ
ばならない。拡大倍率が１０倍のとき、液晶パネル照射
面のサイズを９６×５６ｍｍとするなら、アパーチャ
（ロッド出射面）のサイズは９．６×５．６ｍｍとなる
（図１０（ｂ），（ｃ）参照）。

【００８４】一方、水平方向のパネル入射角は±２．０
度であるから、楕円反射板からの光束入射角は２０度で
ないといけないが、実際には±２６．０度なので、これ
を±２０．０度に変換する水平テーパー角は１．８８度
となる。よってテーパーロッド入射面の水平方向長は
７．２ｍｍとなり、結局テーパーロッド入射面のサイズ
は７．２×５．６ｍｍとなる。

【００８５】図１１に示すテーパロッド方式では、垂直
方面パネル入射角が±３．１度であるから、光束入射角
α＝±２６．０度を変えなければ、拡大倍率を１０倍か
ら８．４倍に下げれる。従ってアパーチャ（ロッド出射
端面）のサイズは、１１．４×６．７ｍｍと大きくでき
る（図１１（ａ），（ｂ）参照）。

【００８６】しかしパネル入射角の水平方向は±２．０
度であるから、入射角αは±１６．８度でないといけな
いが、実際には±２６．０度なので、これを±１６．８
度に変換する水平テーパー角は２．９度となる。

【００８７】よってテーパーロッドの入射面の水平方向
長は６．７ｍｍとなり、結局テーパーロッド入射面のサ
イズは６．７×６．７ｍｍとなる。

【００８８】図１２に示すダブルテーパーロッドでは、
水平方向では図１０と同様に拡大倍率１０倍のままであ
るので、入射面水平方向長は７．２ｍｍである。一方垂
直方向では、パネル入射角は±３．１度であるので、ア
パーチャ出射角は±３１．０度まで許容できる。従っ
て、±２６．０度を±３１．０度に変換する垂直テーパ
ー角は１．５２度となる。よって、テーパーロッド入射
面の垂直方向長は７．５ｍｍとなり、結局ロッド入射面
のサイズは７．２×７．５ｍｍとなる。また、ロッド出
射面のサイズは、９．６×５．６ｍｍとなる。

【００８９】図１３は、以上によって設計されたロッド
入射面と、楕円倍率（５倍）によってできる集光スポッ
ト径１０．５ｍｍとの関係を示している。図１３（ａ）
〜図１３（ｃ）は光取込み角Ｌθが９８．２°の場合で
あって、図１０〜図１２のロッドに対応するもの、図１
３（ｄ）〜図１３（ｆ）は光取込み角Ｌθが７９．８°
の場合であって、図１０〜図１２のロッドに対応するも
のを示している。

【００９０】そこで、前記と同様に光線追跡シミュレー
ションによってロッド入射光束を算出したものを図１４
に示す。図１４より明らかなように、縦長画素になって
垂直方向の平行度があまくなっても、テーパーロッド方
式だと４％前後のロッド入射光束の向上しか見込めない
が、本発明のダブルテーパーロッド方式だと１５％前後
の入射光束の向上が見込める。

【００９１】すなわち、縦長画素に対応する場合、テー
パーロッド方式のように水平方向のみで操作するより
は、ダブルテーパーロッド方式のように、垂直方向に逆
のテーパー角をつけて入射面を大きくし、元来取り逃が
していた楕円集光スポット光束を取り込んだ方がロッド
入射光束の向上を実現できることになる。

【００９２】図２８は、このようなロッド入射光束の向
上の効果を具体的な構造モデルでもって表したものであ
る。なお、ロットサイズは図１３に示すものと同じであ
るが、わかりやすくするため楕円集光スポット径は、φ
７．２ｍｍとしている。

【００９３】図２８（ａ）は水平方向のパネル入射角２
°、垂直方向のパネル入射角２．６°のマイクロレンン
ズ集光スポット１７を画素９ｇに入射させるためのテー
パーロッド１９を示し、図２８（ｄ）は、φ７．２ｍｍ
の楕円集光スポット１６の画素９ｇ上での照射状態を示
している。この場合、図２８（ａ）に示した斜線部が光
源からの光束を取り逃がす部分である。

【００９４】また、図２８（ｂ）は、上記図２８（ａ）
の状態を基準とし、画素９ｇが垂直方向のみ３．１°に
拡がった場合に対応した、従来のテーパーロッドの構造
を示し、図２８（ｅ）は、このロッドによるφ７．２ｍ
ｍの楕円集光スポット１６の画素９ｇ上での照射状態を
示している。

【００９５】さらに、図２８（ｃ）は、上記図２８
（ａ）の状態を基準とし、画素９ｇが垂直方向のみ３．
１°に拡がった場合に対応した、本発明のダブルテーパ
ーロッドの構造を示し、図２８（ｆ）は、このロッドに
よるφ７．２ｍｍの楕円集光スポット１６の画素９ｇ上
での照射状態を示している。

【００９６】これより、明らかにダブルテーパーロッド
の方が楕円集光スポットの取り込み量が多くなることが
わかる。

【００９７】参考までに、入射角αを垂直方向のみ±２
６．０度から３１．０度に拡大した場合について考える
と、図１５に示したように光源取り込み角は９８．２度
から１０８．５度に大きくなる。これによって生じる光
束向上率は、図８より約１２％である。但しこれは１
０．５φの集光スポット内の光束向上率であり、実際に
テーパーロッド入射面で取り込めるのは、図２７で示し
た理由によりごくわずかである。

【００９８】なお、上記実施の形態１では、ダブルテー
パーロッドをガラスロッドにより構成した場合について
示したが、ダブルテーパーロッドとしては、中空部材の
内面に反射ミラーを配置した中空ロッドを用いてもよ
い。この場合、テーパー角の影響がガラスロッドの場合
よりも大きくなる。なぜならば、ガラスロッドの場合
は、入射光のガラス屈折光に対してテーパー角が寄与す
ることとなるが、上記中空ロッドの場合は、入射光にそ
のままテーパー角が寄与するためである。

【００９９】従って、中空ロッドでは、ガラスロッドに
比べて、テーパー角、ロッド長が変化する。

【０１００】（実施の形態２）図１６は、本発明の実施
の形態２として、図１２と同じように、水平方向パネル
入射角を±２．０度、垂直方向パネル入射角を±３．１
度としたときの、ダブルテーパー中空ロッドを示す。

【０１０１】図において、２４はこの中空ロッドで、実
施の形態１のガラスロッドとは、そのロッド長さを、水
平方向テーパー角（３°）より得られる値（２３．０５
ｍｍ）に合わせるために、垂直テーパー部２４ａの前
に、垂直方向で入射光を反射する平板ミラー部２４ｂが
必要となる点のみ異なっている。

【０１０２】しかしながら、この中空ロッド２４におい
ても、水平、垂直方向とも前記ガラスロッドのロッド入
射面のサイズはほとんど変化しないので、前記ガラスロ
ッドのときと同様に入射光束の向上を図ることができ
る。

【０１０３】但し、ガラス内の全反射現象を利用してい
ないので、使用する反射ミラーの反射率は高いものが必
要となる。そういう意味でガラスロッドタイプに比べて
やや効率がわるくなるが、ガラスロッドタイプよりも安
価に形成しやすいという利点がある。

【０１０４】なお、ダブルテーパーロッドの形状は、上
記各実施の形態で示したものに限らず、垂直方向に２種
類のテーパ角を有するものでも、入射端面あるいは出射
端面の形状が上記各実施の形態ものと異なるものでもよ
い。

【０１０５】（実施の形態３）図２９（ａ）は、本発明
の実施の形態３におけるダブルテーパーロッド３４を示
す。このダブルテーパーロッド３４は、ロッド入射端面
２０側の第１の垂直テーパー角を有する第１ロッド部分
３４ａと、ロッド出射端面２１側の第２の垂直テーパー
角を有する第２ロッド部分３４ｂとからなる。該両ロッ
ド部分では、水平テーパ角は等しくなっており、また、
第１の垂直テーパー角は、第２の垂直テーパー角より大
きくなっている。

【０１０６】このようなダブルテーパーロッド３４は、
入射光束を構成する光線の角度分布に偏りがある場合に
用いると有効である。

【０１０７】（実施の形態４）また、図２９（ｂ）は、
本発明の実施の形態４におけるダブルテーパーロッド４
４を示す。このダブルテーパーロッド４４は、ロッド入
射面２０を縦長の長方形形状とし、ロッド出射面２１
を、横長の長方形の４隅を面取りしてなる８角形形状と
したものである。

【０１０８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、水
平方向と垂直方向で許容入射角が異なる縦長画素に対応
できるとともに、光利用効率の向上を図ることができる
ので、高精細な投影型カラー液晶表示装置、あるいは例
えばアスペクト比が１６：９のようなワイド画面を有す
る投影型カラー液晶表示装置の高輝度化を実現できると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による投影型カラー液晶
表示装置の全体構成図である。

【図２】上記投影型カラー液晶表示装置に用いたダブル
テーパーロッドの構成を説明するための図である。

【図３】上記ダブルテーパーロッドによる垂直方向の角
度制限の原理を説明するための図である。

【図４】上記ダブルテーパーロッドを用いた光学系にお
いて、液晶パネル入射角を設定したときの、楕円反射鏡
による集光スポットのシミュレーションモデルを示す図
である。

【図５】楕円倍率をパラメータとする、光源取り込み角
Ｌθと拡大倍率Ｍとの関係を示す図である。

【図６】光源のアークの特性および楕円反射鏡に基づく
集光スポットの形態を示した図である。

【図７】光源としてメタルハライドランプを想定した光
線追跡シミュレーションで使用する光源の特性図であ
る。

【図８】該光線追跡シミュレーションで得られた、光源
取り込み角Ｌθに対する各光束Ｓｌm，Ａｌm，Ｔｌm及
びスポット径を示した図である。

【図９】楕円倍率５のときの、スポット径とテーパーロ
ッド入射面及び出射面との関係を示した図である。

【図１０】液晶パネルの水平方向入射角を±２度、垂直
方向入射角を±２．６度としたときのテーパーロッドの
設計寸法を示す図である。

【図１１】液晶パネルの水平方向入射角を±２度、垂直
方向入射角を±３．１度としたときのテーパーロッドの
設計寸法を示す図である。

【図１２】液晶パネルの水平方向入射角を±２度、垂直
方向入射角を±３．１度としたときのダブルテーパーロ
ッドの設計寸法を示す図である。

【図１３】楕円倍率５に対するスポット径と、図１０、
１１、１２で示した各ロッドの入射面及び出射面との関
係を、光源取込み角Ｌθが９８．２°である場合と光源
取込み角Ｌθが７９．８°の場合について示した図であ
る。

【図１４】光線追跡シミュレーションで得られた、ダブ
ルテーパーロッドとテーパーロッドの入射光束の向上率
を示した図である。

【図１５】ロッド入射角と光源取り込み角の関係を示し
た図である。

【図１６】本発明の実施の形態２のダブルテーパーロッ
ドの説明図であり、液晶パネルの水平方向入射角を±２
度、垂直方向入射角を±３．１度としたときのダブルテ
ーパ中空ロッドの設計寸法を示している。

【図１７】従来の投影型カラー液晶表示装置の全体構成
図である。

【図１８】従来のテーパーロッド方式の投影型カラー液
晶表示装置の全体構成図である。

【図１９】上記液晶表示装置で用いられる液晶パネルお
よびマイクロレンズアレイの構造を示す断面図である。

【図２０】投影型液晶表示装置における投影用光束の要
求平行度を維持するための原理を説明するための図であ
り、液晶パネルへの入射角とアパーチャ拡大倍率の関係
を示している。

【図２１】アスペクト比４：３の液晶パネル及び１６：
９の液晶パネルを示すとともに、これらの液晶パネルに
おける画素を拡大して示す図である。

【図２２】マイクロレンズ集光スポット、及びアパーチ
ャ入射角を示す図である。

【図２３】液晶パネルへの光束の入射角±θinととも
に、これに対応するマイクロ集光スポット径を示す図で
ある。

【図２４】従来のアパーチャによる楕円集光光束の取込
み部分を示した図である。

【図２５】従来のテーパーロッドの構成を示す図であ
る。

【図２６】該テーパーロッドの具体的な寸法形状を示す
図である。

【図２７】該テーパーロッド方式での、縦長画素に対す
る対応策を説明するための図である。

【図２８】光束取り込み部分をテーパーロッドとダブル
テーパーロッドとで比較して示す図である。

【図２９】本発明の実施の形態３及び４のダブルテーパ
ーロッドを示す斜視図である。

【符号の説明】

１白色光源２楕円反射鏡３ＵＶ，ＩＲカットフィルター４，３４，４４ダブルテーパーロッド５アパーチャ拡大レンズ６ダイクロイックミラーＲ７ダイクロイックミラーＧ８ダイクロイックミラーＢ９液晶表示素子９ａ対向ガラス９ｂ液晶層９ｇ画素９ｂＲＲ画素９ｂＧＧ画素９ｂＢＢ画素１０マイクロレンズアレイ１０ａマイクロレンズ１１投影レンズ１２スクリーン１３アパーチャ１４テーパーロッド１５液晶パネル照射面１６楕円集光スポット１７マイクロレンズ集光スポット１８テーパーロッド入射面１９テーパーロッド出射面（アパーチャ）２０ダブルテーパーロッド入射面２１ダブルテーパーロッド出射面（アパーチャ）２２楕円集光スポット強度分布２３光源配光分布２４中空ロッド２４ａ垂直テーパー部２４ｂ平板ミラー部３４ａ第１ロッド部３４ｂ第２ロッド部１００ダブルテーパーロッドの投影型カラー液晶表示
装置２００従来の投影型カラー液晶表示装置２０１テーパーロッドの投影型カラー液晶表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光を発生する白色光源と、該発生された白色光を集光する集光手段と、該集光される白色光束の平行度を調整する光束調整手段
と、該光束調整手段の出射面像が液晶表示素子の表示面上に
拡大結像するよう、該光束調整手段からの白色光束を処
理する結像処理手段と、該液晶表示素子の表示面上に入射する白色光束を、互い
に異なる波長域を有する複数の光束に分割する光束分割
手段と、該液晶表示素子の光源側に設けられ、該複数の光束を各
波長域に対応する液晶表示素子の画素開口部に収束させ
るマイクロレンズアレイと、該液晶表示素子により変調された複数の光束を被投影部
材上に投影する投影手段とを備え、該光束調整手段は、少なくとも、該白色光束の光軸に垂
直な第１の方向では、該白色光束がより集光角あるいは
発散角が大きいものとなり、該白色光束の光軸に垂直な
第２の方向では、該白色光束がより平行光束に近いもの
となるテーパ構造を有するものである投影型カラー液晶
表示装置。
【請求項２】請求項１記載の投影型カラー液晶表示装
置において、前記光束調整手段は、角柱形状を有する光学部材からな
り、該光学部材の光入射側端面及び光出射端面は、水平
方向の寸法が入射側の方では出射側より小さく、垂直方
向の寸法が入射側で出射側より大きい形状、あるいは水
平方向の寸法が入射側の方では出射側より大きく、かつ
垂直方向の寸法が入射側で出射側より小さい形状とした
ものである投影型カラー液晶表示装置。
【請求項３】請求項１記載の投影型カラー液晶表示装
置において、前記光束調整手段は、ガラスまたは樹脂などの透明導光
材料をロッド状に形成して構成したものである投影型カ
ラー液晶表示装置。
【請求項４】請求項１記載の投影型カラー液晶表示装
置において、前記光束調整手段は、該光学部材の内面が反射鏡となっ
ている中空構造の部材から構成したものである投影型カ
ラー液晶表示装置。