JPH10221776A - 液晶プロジェクター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の液晶プロジェクターでは、液晶素子に
光源からの光を投射する際に、光束を映像画面サイズに
変換し、かつ映像画面全体の光量の均一化を目的とし
て、フライアイレンズが用いられている。このフライア
イレンズに入射される光線の一部がフライアイレンズ周
辺から外部に放射され、前記液晶素子に投射される光量
に損失が生じ、前記光源から放射される光量を有効に活
用できない課題がある。 【解決手段】 本発明は、フライアイレンズの外周部に
屈折率の異なる層を設け、フライアイレンズの外部に透
過する光量を抑制して、前記液晶素子に投射する光効率
を向上させることを特徴とする液晶プロジェクターであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、テレビジョン映像
等を投射表示する液晶プロジェクターに関し、特に光源
からの光を効率良く液晶素子に投射可能なフライアイレ
ンズの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、テレビ映像またはコンピュータ機
器で作成した映像を再生表示するものとして、ブラウン
管及び液晶素子を用いた映像機器があり、大画面でかつ
多くの人々が視聴する映像機器として、前記ブラウン管
または液晶素子に表示された映像を光学手段を用いて投
影するプロジェクションテレビ受像機が開発され普及し
ている。

【０００３】従来の液晶素子を用いたプロジェクターの
光学手段の構成を図２を用いて説明する。光源２１は、
メタルハライドランプが用いられ、半円の放物形状の光
反射面を有するリフレクタ２２内に取り付けられてい
る。この光源２１から放射された光は、リフレクタ２２
で反射されて、フィルタ２３に投射される。このフィル
タ２３は、光源２１から放射された光に含有する紫外線
及び赤外線のように不要光線を除去し、可視光線のみを
透過させるものである。この紫外線及び赤外線等のよう
な不要光線は、後述する液晶素子内に封入されている液
晶材に作用して、液晶材を常温以上に温度上昇させ、前
記液晶材の変化と劣化の要因となるために、その不要光
線を除去し、可視光線のみを透過させる機能を有してい
る。このフィルタ２３を透過した可視光線は、フライア
イレンズ２４に透過される。光源２１から放射された光
束は、円形状であり、一方後述する液晶素子の画面は四
角形状であるために、このフライアイレンズ２４によっ
て、光源２１からの光束を円形状から四角形状に変換さ
せている。このフライアイレンズ２３を透過し、光束を
変換された可視光線は、第１のフレネルレンズ２５を透
過し、液晶素子２６に投射される。この第１のフレネル
レンズ２５は、前記フライアイレンズ２４を透過した可
視光の拡散を防止し、かつ液晶素子２６に映像を生成す
る各画素に対して光線が垂直に入射されるように平行光
に変換するものである。この第１のフレネルレンズ２６
から入射された平行可視光線は、液晶素子２６に入射さ
れる。液晶素子２６は図示されていない映像信号再生処
理手段からの信号により映像を生成し、この液晶素子２
６を透過した光は、映像光に変換される。この液晶素子
２６で変換された映像光は、第２のフレネルレンズ２７
と拡大投射レンズ２８を透過して、スクリーン２９に拡
大した映像が投影される。なお、第２のフレネルレンズ
２７は、前記液晶素子２６から出射される映像光も拡散
するために、その拡散を防止し、かつ拡大投射レンズ２
８に平行光として入射させ、拡大投射レンズ２８からス
クリーン２９に投影される映像の光量確保を行うもので
ある。

【０００４】前記液晶素子２６について、図３を用いて
詳述する。この図は、液晶素子の動作時と不動作時を説
明するための斜視図で、一般にＴＮ(Twisted Nematic)
液晶素子といわれているものである。液晶材２６ａは、
二枚のガラス板２６ｂ、２６ｂ’に挟まれて封入され、
このガラス板２６ｂ、２６ｂ’の外側は、同一向きの偏
向板２６ｃ、２６ｃ’が、さらに液晶材２６ａとガラス
板２６ｂ、２６ｂ’との間に透明電極２６ｄ、２６ｄ’
が設けられている。このような構成の液晶素子２６の動
作について説明する。なお、図３において中心線Ｘの左
側（矢印Ａ側）は、電極２６ｄ、２６ｄ’間に電圧が印
加されていない状態を示し、右側（矢印Ｂ側）は、電極
間に電圧が印加された場合を示している。まず、電極２
６ｄ、２６ｄ’間に電圧が加わっていない状態では、上
方からの光のうち、偏向板２６ｃの向きと一致する光が
液晶材２６ａ内に入射されるが、入射された光は液晶分
子配列に合わせて回転し、偏向板２６ｃ’の向きと異な
る光となり、偏向板２６ｂ’を透過しない。次に、図中
矢印Ｂ側のように、透明電極２６ｄ、２６ｄ’間に電圧
を加えると、液晶材２６ａの液晶分子２６ｅ’は、電解
方向に整列するために、入射光は回転することなく偏向
板２６ｃ’から出射される。つまり、透明電極２６ｄ、
２６ｄ’間に映像信号電圧を入力することにより、液晶
素子２６の各画素毎に光が透過したり、遮断したりし
て、映像を結像している。このような構成の液晶素子２
６のために、前記第１のフレネルレンズ２５は、液晶素
子２６への入射光を平行光に変換して、光の透過と遮断
を効率よくさせるものであり、また第２のフレネルレン
ズ２７は、前記液晶素子２６から出射された平行光を効
率よく拡大投射レンズ２８に投射する機能を有してい
る。

【０００５】次に、フライアイレンズ２３について説明
する。まず最初に光源２１とリフレクタ２２から放射さ
れる光の性質について、図４の平面図を用いて説明す
る。この種の機器の光源２１としては、可視域に多くの
発光スペクトルを有するメタルハライドランプが用いら
れている。このメタルハライドランプは、照明学会編
「ライティングハンドブック」平成６年１０月３０日第
１版第２刷発行の第１４５頁に記載されているように、
発光管内に高圧水銀に金属ハロゲン化物を添加して封入
し、その発光管の両端に電極を設けた長楕円形または円
筒状の形状を有している。このメタルハライドランプを
前記リフレクタ２２の中央部に取り付け、そのメタルハ
ライドランプの発光管から放射される光は、リフレクタ
２２で反射されるが、その反射された光を例えば矩形状
の平面３０に投射すると、平面３０に投射された光は、
中央部３０ａと周辺部３０ｃは光量が少なく、前記平面
３０の中央部３０ａと周辺部３０ｃの間の中間部３０ｂ
は光量が多く、平面３０に投射された光にドーナツ状の
明暗が生ずる。この光の明暗は、前記メタルハライドラ
ンプが前記リフレクタ２２の中心部で、かつ、平面３０
に投射される光軸Ｙと平行に取り付けられるため、この
メタルハライドランプの一方の電極部分が光投影平面の
中央となり、その電極により反射光量が遮蔽され、中央
部分の光量不足となる。さらに、リフレクタ２２の内面
の光反射は外周部分で光の反射量が減少するために、光
投影平面の周辺部の光量が不足する現象が生ずる。つま
り、この平面３０を液晶素子２６に置き換えると、液晶
素子２６の中央部と周辺部の光量が不足し、画面全体で
光の明暗のある画面となってしまう。さらに、このよう
な光源２１とリフレクタ２２を用いて得た放射光全体は
円形上の光束となり、前記液晶素子２６に投射する際
に、液晶素子２６は矩形状であり、リフレクタ２２から
放射される光束を有効に活用して、液晶素子２６の画面
一杯に投射しても画面の四隅と中央部の光量の不足は解
決できない。

【０００６】このために、液晶素子２６の画面に投射さ
れる光量を均一にして、光の明暗のない画面を提供する
ために、フライアイレンズ２４が開発実用化されてい
る。このフライアイレンズ２４は、図５（ａ）の正面図
と（ｂ）の断面図に示すように、矩形状に形成された複
数の凸レンズ２４ａ〜２４ｊを市松状に配置した構造と
なっている。この凸レンズ２４ａ〜２４ｊの各々の拡大
率は、前記液晶素子２６の画面全体に光を拡大する拡大
率を有している。このような構造のフライアイレンズ２
４による光の投射原理について、図６を用いて説明す
る。なおこの図は、図５の切断線Ｃ−Ｃから切断したフ
ライアイレンズ２４の凸レンズ２４ｃ〜２４ｅと、この
凸レンズ２４ｃ〜２４ｅを透過した光の液晶素子２６へ
の投射状態を示している。まず、凸レンズ２４ｃを透過
する図中実線で示した光線は、拡大されて液晶素子２６
の画面全体に投射される。次の凸レンズ２４ｄに投射さ
れる点線で示した光線と、凸レンズ２４ｅに投射される
一点鎖線で示した光線も、それぞれ同様に拡大されて、
液晶素子２６の画面全体に投射される。この時、凸レン
ズ２４ｄを通った光に対し凸レンズ２４ｃ、２４ｅを通
った光が液晶素子２６の表面に合成されるように投射さ
れるため、この３つの凸レンズ２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ
で拡大投射された光量が加算されて、液晶素子２６の画
面に投射される光量が均一化される。つまり、フライア
イレンズ２４の凸レンズ２４ａ〜２４ｊによって拡大投
射された光量が加算されて液晶素子２６の画面の光量が
均一化して、前記ドーナツ状の光量の明暗現象を解消し
ている。また、このフライアイレンズ２４の凸レンズ２
４ａ〜２４ｊは矩形状で、かつテレビ画面及び液晶素子
２６の画面と同一の縦横比の形状寸法とすると、光源２
１とリフレクタ２２から放射される全体形状丸型の光束
を四角形状とすることができ、液晶素子２６の画面周辺
部での光量不足も解消できる。

【０００７】このような構成の液晶プロジェクターは、
多数の視聴者が同時に視聴する上で、スクリーン２９に
表示される映像の輝度が高く、かつ設置場所の照明も特
別低くない状態で使用できることが望ましい。このため
に、光源２１から放射される光量の増量及び前記フライ
アイレンズ２４と第１のフレネルレンズ２５を用いて、
液晶素子２６の画面への投射光量の均一化と平行光の投
射や、拡大投射レンズ２８などを用いているが、これら
各種レンズによる光量の損失もスクリーン２９の映像の
輝度の低減の要因となる。この中で特にフライアイレン
ズ２４における光量の損失は、液晶素子２６の透過光量
の減少となり、スクリーン２９への投射映像光の減少と
なる。このフライアイレンズ２４における光量損失につ
いて、図７を用いて説明する。この図は、フライアイレ
ンズ２４を模式的に示した断面と光線の関係を示したも
ので、光源２１から放射された光線は、リフレクタ２２
でフライアイレンズ２４側に投射されるが、この光線
は、フライアイレンズ２４に対して、各種方向から入射
され、図７に示すような光線２４’、２４”のような入
射角度を有する場合は、フライアイレンズ２４の外部に
放出されてしまい、透過光量の損失となり、光源２１か
ら放射される光量を有効に活用できないという課題があ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の液晶プロジェクターでは、液晶素子を透過した映像光
をスクリーンに投影する際に、光源から放射される光束
を映像画面サイズに合わせ、かつ映像画面全体の光量の
均一化目的として、フライアイレンズが用いられている
が、このフライアイレンズに入射される光線の一部がフ
ライアイレンズ周辺から外部に放射され、前記液晶素子
に投射される光量に損失が生じ、前記光源から放射され
る光量を有効に活用できない課題がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、液晶素子に光
を投射する光源と、この光源から投射される光の明暗を
均一化し、かつ光束の形状を前記液晶素子の画面形状に
変換するフライアイレンズを有し、このフライアイレン
ズの外周部に屈折率の異なるレンズの層を設け、フライ
アイレンズの外部に透過しようとする光量を抑制して、
前記液晶素子に投射する光効率を向上させることを特徴
とする液晶プロジェクターである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る
液晶プロジェクターに用いられるフライアイレンズの一
実施の形態を示す図で、図１（ａ）は、正面図、図１
（ｂ）は、フライアイレンズと光線の関係を示す側面図
である。

【００１１】本発明のフライアイレンズ１１の主要レン
ズ部１２には、複数の矩形状の凸レンズ１１ａ〜１１ｊ
が市松状に配置されて形成されている。この主要レンズ
部１２の周辺には、前記主要レンズ部１２と異なる屈折
率を有する第１と第２のレンズ部材１３、１４が一体に
形成されている。このような構成のフライアイレンズ１
１は、図１（ｂ）に示すように、主要レンズ部１２の屈
折率ｎ１、第１のレンズ部材１３の屈折率ｎ２、及び第
２のレンズ部材１４の屈折率ｎ３を有し、この屈折率の
関係をｎ１＞ｎ２＞ｎ３としている。さらに主要レンズ
部１２に入射した光の入射角をθ１、第１のレンズ部材
１３の光の入射角をθ２、第２のレンズ部材１４の光の
入射角をθ３とすると、主要レンズ部１２に入射された
図中点線で示す光１は、ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｎ２
／ｎ１の関係が成り立ち、主要レンズ部１２の屈折率ｎ
１が第１のレンズ部材の屈折率ｎ２より大きい（ｎ１＞
ｎ２）ために、前記光１の主要レンズ部１２への入射角
θ１がある値よりも大きい入射角を有する光１は、この
主要レンズ部１２内及び外周面で屈折反射されて、収容
レンズ部１２から出射される。一方、入射角θ１よりも
小さい入射角を有する光１は、主要レンズ部１２を透過
して、第１のレンズ部材１３に入射される。この第１の
レンズ部材１３に入射された光１は、ｓｉｎθ２／ｓｉ
ｎθ３＝ｎ３／ｎ２と屈折率ｎ２＞ｎ３の関係から、第
１のレンズ部材１３に入射された入射角度θ２よりも大
きい入射角の光はこの第１のレンズ部材１３で反射屈折
され、前記主要レンズ部１２へ出射され、かつ主要レン
ズ部１２から出射される。さらに、前記主要レンズ部１
２への入射角の小さい光２（図中一点鎖線で示す）が入
射され、主要レンズ部１２と第１のレンズ部材を透過し
た光２は、第２のレンズ部材１４で前記同様な理由から
第３のレンズ部材１４で反射屈折されて、第１のレンズ
部材１３と主要レンズ部１２を介して出射される。

【００１２】つまり、主要レンズ部１２に小さい角度で
入射された光１、２は第１と第２のレンズ部材１３、１
４で前記主要レンズ部１２へ反射屈折されることで、主
要レンズ部１２から外部に出射されようとする光を再度
主要レンズ部１２に戻すようにしているので、光源２１
から放射される限られた光量を有効に活用することが可
能となり、液晶素子２６に投射する光量の増大を図り、
スクリーンに投影される映像光の輝度を向上させること
が実現できるものである。

【００１３】なお、上記説明では、フライアイレンズの
周辺に設けた屈折率の異なるレンズ部材を２層設けた
が、この屈折率の異なるレンズ部材の層は必要に応じて
３層以上とすることも可能であることは明かである。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において使
用するフライアイレンズは、光源から放射される光を液
晶素子に投射する際に、その光束の形状を液晶素子の画
面形状に光変換し、かつ均一な光量を投射させるととも
に、フライアイレンズの外周部に屈折率の異なるレンズ
部材を一体に設けたことにより、そのフライアイレンズ
の外方に透過しようとする光を内方に屈折することがで
き、前記光源から放射された光量を有効に前記液晶素子
に投射し、前記光源の放射光量を増加させることなく、
スクリーンに投影される映像光の輝度の向上が図れる液
晶プロジェクターを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る液晶プロジェクターに用いられる
フライアイレンズを示し、（ａ）は、フライアイレンズ
の構成を示す平面図で、（ｂ）はレンズと光線の関係を
示す側面図である。

【図２】従来の液晶プロジェクターの光学手段の構成を
示す平面図である。

【図３】従来の液晶プロジェクターに使用される液晶素
子の構成と動作原理を説明する斜視図である。

【図４】従来の液晶プロジェクターに使用される光源か
ら放射される光の性質を示す平面図である。

【図５】従来の液晶プロジェクターに使用されるフライ
アイレンズの構成を示し、（ａ）は平面図で、（ｂ）は
断面図である。

【図６】従来の液晶プロジェクターに使用されるフライ
アイレンズの動作原理を説明する平面図である。

【図７】従来の液晶プロジェクターに使用されるフライ
アイレンズにおける光量損失を説明する平面図である。

【符号の説明】 １１…フライアイレンズ、１１ａ〜１１ｊ…凸レンズ、
１２…主要レンズ部、１３…第１のレンズ部材、１４…
第２のレンズ部材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 前記光源から投射された光が入射され、かつ映像信号に
   よって制御された映像光を出射する液晶素子と、 前記光源と前記液晶素子との間に配置され、前記光源か
   ら投射される光に含有する不要光を除去するフィルター
   と、 前記光源からの光の明暗を均一化して前記液晶素子に入
   射するためのフライアイレンズ、及びこのフライアイレ
   ンズの外周部に一体に形成された屈折率の異なるレンズ
   層とを有する光変換手段と、 前記液晶素子から出射された映像光を拡大してスクリー
   ンに投射するための投影手段と、 を具備し、前記レンズ層によってフライアイレンズの外
   部に透過する光量を抑制するようにしたことを特徴とす
   る液晶プロジェクター。
2. 【請求項２】 前記レンズ層は、前記フライアイレンズ
   の中心から外周に向けてそれぞれ屈折率の異なるレンズ
   を複数層形成したことを特徴とした請求項１に記載の液
   晶プロジェクター。
3. 【請求項３】 前記屈折率の異なるレンズの層は、前記
   フライアイレンズの外周に向けて、その屈折率を大きく
   したことを特徴とする請求項２に記載の液晶プロジェク
   ター。