JPH10232394A

JPH10232394A - 投射型光学装置

Info

Publication number: JPH10232394A
Application number: JP9035302A
Authority: JP
Inventors: Minoru Sekine; 実関根; Yoshiharu Oi; 好晴大井
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1998-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】明るく、高コントラスト比の投射像を達成す
る。【解決手段】筐体１４に光源１、楕円鏡２、オフセット
レンズ１３、ミラー１２、均一化プリズム３、第１の絞
り４、ダイクロイックミラー５、６、γ＝１０°の入射
角、出射角δ＝１０°に設定されたコリメータレンズ
７、反射面９を持つ液晶表示素子８、第２の絞り１１、
投射レンズ鏡筒１０が備えられた投射型光学装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型の投射型光
学装置およびそれに用いる表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】投射型光学装置は画像を一定の距離だけ
離れたスクリーンに投射し、直視型の光学装置に比べて
大きな投射画像を得ることを目的とする。例えば、映写
機も基本的に同様の構造を備えている。つまり、光源か
ら供給される強い光を画像データで変調し、投射レンズ
系を経て、投射する投射型光学装置の構造が古くから知
られていた。

【０００３】また、投射型光学装置に用いる光変調手段
として種々の表示素子がある。散乱性を有する表示素子
としては、サスペンジョンディスプレイ素子、レーザ書
き込みモード液晶素子やダイナミック・スキャッタリン
グ（ＤＳＭ）の液晶素子などが従来から知られていた。

【０００４】ＳＩＤプロシーディングズＶｏｌ．１８
／２第２クオーター１９７７，１３４〜１４６頁「ラ
イトバルブのためのプロジェクションシステム」（従来
例１）に各種の光変調手段とシュリーレン表示系とを組
み合わせた投射型光学装置に関する説明が開示されてい
る。光変調手段として、ＰＬＺＴや液晶素子が例示さ
れ、シュリーレン表示系と組み合わせた投射型光学装置
であり、従来例１の図８〜１０に反射モードの構成が示
されている。

【０００５】また、新しい動作モードを持つ液晶素子を
投射型光学装置に用いた例が特開平５−１９６９２３号
公報（従来例２）や、特開平７−５４１９公報（従来例
３）に開示されている。この従来例２、３に採用された
液晶素子は液晶／高分子複合体素子、高分子／分散型液
晶素子、または単に分散型液晶素子（以後、ＬＣ／ＰＣ
とも呼ぶ）などと呼ばれ、電界駆動で高い散乱性能と透
過率を有し、従来の偏光板を内蔵する光吸収型のツイス
ト・ネマチック（ＴＮ）液晶素子やスーパーツイストネ
マチック（ＳＴＮ）液晶素子よりも明るく、コントラス
トの高い表示を行うことが可能となった。

【０００６】従来例２では、ＬＣ／ＰＣを反射型液晶表
示素子として構成し、反射型の投射型液晶表示装置を形
成している。従来例３では、デルタ型に配置した２枚の
ダイクロイックミラー面を挟むように配置した３枚の反
射型ＬＣ／ＰＣ素子によって、投射表示を行っている。

【０００７】また、透過散乱型の液晶表示素子を反射型
素子として用い、白色光源をＲＧＢの３色に色分離した
後、各々の色光を変調する３個の反射型素子を用いたカ
ラー投射型液晶表示装置が、特開平４−１４２５２８号
公報（特に第５図）、および特開平４−２３２９１７号
公報（特に第１図）に開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来例ではい
ずれも、光源系の集光鏡として楕円鏡を用い、光源系か
ら出射された発散光を１個の凸レンズによって平行光化
した後３個の透過散乱型液晶表示素子の反射型素子へと
入射していた。

【０００９】ここで、色分離合成系として互いに４５°
で交差するダイクロイックプリズムが平行光化用凸レン
ズと反射型素子との間に配置されて用いられていた。こ
の場合、投射レンズと平行光化用凸レンズおよび照明表
示系と平行光化用凸レンズとの間に空間が必要となり、
投射型液晶表示装置の容積の増大を招く。

【００１０】一般に、反射型液晶表示素子を用いた投射
型光学装置の場合、入射光と反射光は同一光軸上ではな
く、反射型液晶表示素子の反射面に対してある角度で入
射、反射するので、反射型液晶表示素子の有効面に対応
して光を損失なく利用するためには、色分離合成系およ
び平行光化用凸レンズの有効面が反射型液晶表示素子の
反射面に比べて大きな面積を必要とする。

【００１１】さらに、反射型液晶表示素子を用いる投射
光学装置では、光源系と結像光学系が反射型液晶表示素
子に対して同一側に配置されることに加えて、投射型光
学装置が机や床付近の比較的低い位置に置かれる場合
は、その置かれる水平面に対して投影画面を高い位置
に、逆に天井付近に置かれる場合は低い位置に、投射で
きる機能が要求されるため、偏心投射光学系とすること
が重要かつ必須となる。

【００１２】すなわち、反射型液晶表示素子を用いた投
射型光学装置の表示系を設計する場合、一般的には、結
像光学系に関して偏心光学設計が必要とされ、液晶表示
素子の有効画面の中心位置が投射レンズの光軸と離れる
ために、投射レンズの設計有効画面サイズを液晶表示素
子の有効画面サイズよりも大きくして設計する必要があ
る。

【００１３】この場合、投射レンズは液晶表示素子の画
面中心と同軸の設計をするときよりも大きくなり、光学
系も複雑になり、容積・重量・コストの増大を招きやす
い。特に、ＴＮ型液晶表示素子の場合、偏光素子等によ
る光量低下を補うために入射角や反射角を大きくとる必
要があり、このため結像光学系の開口絞りを大きくして
光学的に明るい（すなわち、Ｆナンバーの小さい）投射
レンズ系が必要となり、解像力低下、光学レンズの枚数
増加、複雑化等を招き、大型化や高価な反射型液晶表示
装置となることが予想される。

【００１４】図３に、反射型液晶表示素子を用いた投射
型光学装置で、色分解表示系のダイクロイックミラー以
外に本発明のような照明光学系の光路を変更する表示素
子を持たない、一般的な光学系の側面図を示す。この光
学系の場合、明るくかつ小型化しようとすると、照明光
学系の集光鏡や光源光の均一化レンズ、開口絞り等の光
学素子およびそれら保持する機構部品等と、結像光学系
の投射レンズが機械的干渉（ぶつかりあい）を生じるこ
とが予想される。

【００１５】これを避けるために、照明光学系と結像光
学系の間隔を大きくして、反射型の液晶表示素子の光軸
に対する照明光学系の入射角γまたは結像光学系の反射
角δを大きくすると、側面図方向の入出射光束の幅が大
きくなるため、光学系の各素子の必要面積が大きくな
り、光学系がさらに大きくなる。

【００１６】また、透過散乱型の液晶表示素子を使用す
る場合、γまたはδが大きくなると、前述のように、透
過散乱型液晶表示素子の優れた透過／散乱効果が減少す
る。しかし、機械的干渉をする照明光学系の楕円鏡等表
示素子の一部を切り取れば、照明光束が減ることにな
り、明るさが低下する。

【００１７】さらに別の手段として、図４に示すよう
に、照明光学系の楕円鏡とその第２焦点位置の間に平面
鏡を置いて光軸を折り曲げ、機械的干渉を最も起こしや
すい楕円鏡の位置を結像光学系の横に置く方法も考えら
れるが、これだけでは楕円鏡の口径が小さいか、その第
２焦点距離ｆ₂ の値が比較的長くなければ機械的干渉は
やはり避けられない。

【００１８】また、この場合、使用する楕円鏡の口径が
小さければ、使用する光源ランプの種類も制限があり、
一方、第２焦点距離が長ければ楕円鏡の深さが浅くな
り、光源の利用効率が低下し、明るさが低下することが
予想される。

【００１９】以上のように、反射型液晶表示素子を用い
た投射型光学装置としては、従来、種々の提案がなされ
ているが、特に液晶表示素子表面の入射角／反射角を大
きくせず、かつ照明光学系と結像光学系が機械的干渉を
起こさず、反射型液晶表示素子の画像を明るくスクリー
ンに投影できる小型かつ簡素な投射型光学装置が望まれ
ていた。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決すべくなされたものであり、特に液晶表示素子面の表
面の入射角／反射角を大きくせずに、かつ照明光学系と
結像光学系が機械的干渉を起こさず、反射型液晶表示素
子の画像を明るくスクリーンに投影する、小型かつ簡素
な投射型光学装置を可能とするものである。

【００２１】すなわち、本発明の請求項１の発明は、光
源と楕円鏡とが備えられた光源系と、透過散乱型の動作
モードを有する表示素子と反射機能層とが備えられた光
変調手段と、投射光学系とが設けられた投射型光学装置
において、光源系と投射光学系の間の光路に偏心性結像
手段が配置され、光変調手段に入射される主光束の入射
角γが２°≦γ≦２０°を満足し、光変調手段から出射
される主光束の出射角δが２°≦δ≦２０°を満足し、
光源と光変調手段との間にオフセットレンズが配置され
たことを特徴とする投射型光学装置を提供する。

【００２２】また、請求項２の発明は、光源系の楕円鏡
の第１焦点位置に光源が配置され、第１焦点位置と第２
焦点位置との間にオフセットレンズが配置されたことを
特徴とする請求項１記載の投射型光学装置を提供する。
また、請求項３の発明は、オフセットレンズにより、実
効的な第２焦点位置を１０〜５０ｍｍ長くしたことを特
徴とする請求項１または２記載の投射型光学装置を提供
する。また、請求項４の発明は、入射角γは４°≦γ≦
８°、出射角δは４°≦δ≦８°を満足することを特徴
とする請求項１、２または３記載の投射型光学装置を提
供する。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、オフセットレンズと、反
射型の液晶表示素子を備えた本発明の投射型光学装置の
一例の基本構成の平面図である。また、図２は、その左
側／投射方向から見た状態の側面図である。図２では、
色分解光学系、および色分解光学系によって曲げられた
光束が入射かつ反射する２枚の反射型液晶表示素子は省
略してある。

【００２４】図１、図２において、照明光学系の楕円鏡
の第１焦点位置に置かれた光源から出射した照明光束
は、楕円鏡によって反射され、楕円鏡の第２焦点位置に
向かう。実際には、光源の大きさはある大きさを有する
ため、光源の共役像は第２焦点位置を中心としたある大
きさの円内に向かう。

【００２５】前述したように、明るい光学系を実現しよ
うとすれば、光源ランプと楕円鏡はかなり大きくなるこ
とが多く、機械的干渉をできるだけ避けるために反射鏡
を置いて光軸を折り曲げることは有効である。しかし、
楕円鏡の第２焦点位置は楕円鏡からあまり離れたものば
かりとは限らない。

【００２６】そこで、楕円鏡と第２焦点位置の間に、楕
円鏡の第２焦点位置に凹レンズ効果を有する光学素子を
配置する。そして、光源の発光部から発し、第２焦点位
置付近に向かう光束の収斂角度をゆるくすることによ
り、第２焦点距離を実効的に大きくすることができる。

【００２７】また、第２焦点位置には前述したような均
一化レンズと開口絞りを置くための空間が必要となるた
め、この位置は光束が反射鏡で反射された後に置かれる
ことが一般的である。すなわち、楕円鏡とその光源を機
械的干渉を起こしている位置から干渉しない位置までの
光軸方向の距離をΔｆとしたとき、楕円鏡の第２焦点位
置を、反射鏡の先にある均一化レンズの開口絞りの位置
まで少なくともΔｆだけ延ばす。

【００２８】つまり、第２焦点を「ｆ₂ ＋Δｆ」より以
遠の位置にする凹レンズ効果を有する光学素子を設ける
ことを意味する。本発明に用いる光学素子を、光源およ
び楕円鏡の直後の光軸内に置くことにより、投射光学系
の機械的干渉を避けうる。

【００２９】図５の側面図に、この関係をわかりやすく
光源系の光軸を直線上にして示す。図において、楕円鏡
の第１焦点位置をＦ₁ 、第２焦点位置をＦ₂ とすると、
楕円鏡の発光部の中心を出射した光は楕円鏡で反射し、
光路を折り曲げられ、第２焦点位置に向かうが、挿入さ
れたオフセットレンズによって光路を曲げて、新たな第
２焦点位置であるＦ₃ の位置に延ばされて、光軸と交わ
る。この位置に光源均一化レンズと開口絞りが置かれて
いる。

【００３０】ここで、楕円鏡の光軸上頂点からＦ₁ 、Ｆ
₂ 、Ｆ₃ までの距離をそれぞれ、ｆ₁ 、ｆ₂ 、ｆ₂ ＋Δ
ｆとし、挿入するオフセットレンズの挿入位置を楕円鏡
の第１焦点位置からオフセットレンズの楕円鏡側の主点
位置までの距離Ｄの位置とし、オフセットレンズの焦点
距離をｆ_o とすると、ｆ_o は次の数１で示す簡単な結像
式から求まる。

【００３１】

【数１】ｆ_o ＝１／｛１／（ｆ₂ ＋Δｆ−ｆ₁ −Ｄ）−
１／（ｆ₂ −ｆ₁ −Ｄ）｝

【００３２】以上より、機械的干渉を避けたいオフセッ
ト量と、オフセットレンズの挿入位置を決めると、オフ
セットレンズの焦点距離が決まる。オフセットレンズの
形状は、Δｆがあまり大きい場合、１枚の単レンズでは
楕円鏡の収差に比べて光学的な収差劣化を防ぐために複
数枚必要とする可能性もある。しかし、一般的に、機械
的干渉量はできるだけ少ない楕円鏡や配置構成を採用し
たほうがよい。また、このほうが、オフセットレンズの
パワーも小さく、収差劣化も少なくなる。したがって、
通常は１枚の凹レンズを採用することで足りる。

【００３３】オフセットレンズの形状は、上記の焦点距
離を有し、楕円鏡の光束を取り込める大きさであればよ
く、光学的収差と製造上のコストを勘案して決定すれば
よい。すなわち、光学レンズの材質としては、屈折率
１. ４〜１. ９位のものが使用できる。たとえば、Δｆ
が大きくオフセットレンズのパワー大きくしたい場合は
光学的収差を考慮して高屈折率ガラスを、色収差を抑え
たい場合は色分散の小さいガラスを選んで焦点距離がｆ
_O となるように曲率と中心厚を決めればよい。そのうち
で、Δｆがそれほど大きくなく、安価で色分散の小さい
ものとしてはＢＫ７等の一般に光学レンズとして比較的
よく使われているものが好ましい。

【００３４】本発明の逆効果としては、このために、投
射光学系のサイズは図１の平面方向にΔｆだけ大きくな
るが、投射光学装置の冷却ファンや電源回路等を組み込
む空間と比較するとその増加はほとんど無視できると考
えられる。

【００３５】以上のように、本発明においては、照明光
学系の楕円鏡の第１焦点位置に置かれた光源と楕円鏡の
直後に、楕円鏡の第２焦点位置をΔｆだけ長くするオフ
セットレンズを配置することにより、小型化と明るさを
犠牲にすることなく投射光学系の機械的干渉を防ぎ、か
つ、使用する光源とその楕円鏡のサイズの制限をなくし
た、小型で明るい反射モードの投射型光学装置を実現で
きる。

【００３６】

【実施例】

（実施例１）図５において、使用する楕円鏡の焦点距離
を、ｆ₁ ＝２２ｍｍ、ｆ₂ ＝１０５ｍｍとし、挿入する
オフセットレンズの位置を標準的な光源ランプと反射鏡
とがぶつからない位の位置Ｄ＝４０ｍｍとした。かつ、
オフセットする距離を１０、３０、６０、９０、１００
ｍｍとした場合のオフセットレンズの焦点距離ｆ_O を、
実施例１−ａ、１−ｂ、１−ｃ、１−ｄ、１−ｅとして
表１に示す。さらに、それぞれのレンズの材質をＢＫ７
とし、かつ、形状を平凹レンズとしたときのＲ（曲率半
径）を示す。

【００３７】楕円鏡からオフセットレンズに入射する光
束は通常収束光となっているため、オフセットレンズの
口径は、楕円鏡の口径よりも小さくてよい。このため、
表１では、実施例１−ａ〜１−ｄ位までは通常のレンズ
製造技術で充分製作できた。

【００３８】一方、実施例１−ｅではＲが小さくなり、
レンズの縁厚がかなり大きくなっており、楕円鏡の光束
径とレンズ口径から考えると限界に近いともいえる。こ
の場合、屈折率の高いガラスに変えるか、平凹ではなく
両凹にすればＲは大きくなり、充分製作範囲となること
は容易にわかる。しかし、オフセット量が１００ｍｍを
超えてくると光学的収差が多くなるため、均一化レンズ
に入射する光束のばらつきが大きくなり、楕円鏡のみの
場合に比べて開口絞りによってケラレる量が増えて結果
的に明るさが減る可能性がある。

【００３９】これに対し、凹レンズを非球面化または複
数のレンズ化することも改良手段の一つであるが、オフ
セットレンズが高価なものになり、オフセットレンズが
逆効果となり、光源や楕円鏡の仕様、形状を見直したほ
うがよい可能性もある。

【００４０】

【表１】

【００４１】（実施例２）図５において、使用する楕円
鏡の焦点距離を、ｆ₁ ＝１８ｍｍ、ｆ₂ ＝８６ｍｍと
し、挿入するオフセットレンズの位置を標準的な光源ラ
ンプと反射鏡とがぶつからない位の位置Ｄ＝３５ｍｍと
した。かつ、オフセットする距離を１０、３０、６０、
９０、１００ｍｍとした場合のオフセットレンズの焦点
距離ｆ_O を、実施例２−ａ、２−ｂ、２−ｃ、２−ｄ、
２−ｅとして表２に示す。

【００４２】さらに、それぞれのレンズの材質をＬＡＫ
８とし、かつ、形状を平凹レンズとしたときのＲを示
す。本実施例では、楕円鏡の焦点距離が小さくなってい
るため、オフセットレンズ焦点距離はより小さくなる。
このため、表２では屈折率の高いＬＡＫ８というＢＫ７
に比べると高価なガラス材を使用した。

【００４３】実施例２−ａ〜２−ｅまで全て充分製作可
能であるが、やはり、実施例２−ｅではＲが小さくな
り、レンズの縁厚がかなり大きくなる。この場合、前述
のように両凹にすればＲは大きくなるため、製作しやす
くなり、また、もっと安価なガラス材に変えることもで
きる。しかし、オフセット量が１００ｍｍを超えてくる
と光学的収差が多くなるため、実施例１と同様のことが
いえる。

【００４４】

【表２】

【００４５】

【発明の効果】本発明によって、超小型の筐体内に明る
く、高コントラスト比の投射像を達成する投射型光学装
置を設けうる。液晶表示素子の画面サイズが１〜３イン
チサイズであっても、小型の容積、軽い重量の投射型光
学装置を得て、実用的な性能を提供できる。従来のＣＲ
Ｔや、ＴＮ型液晶プロジェクタの性能を越えて、優れた
表示機能を得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学系全体の基本的構成の平面図。

【図２】本発明の光学系全体の基本的構成の投射レンズ
側の正面図。

【図３】比較例の反射型投射光学系の側面図。

【図４】比較例の反射型投射光学系の投射レンズ側の正
面図。

【図５】光源系の光軸を直線上に配置した側面図。

【符号の説明】

１：光源２：集光反射鏡３：均一化レンズ４：第１の開口絞り５、６：ダイクロイックミラー７：コリメータレンズ８：反射型液晶表示素子９：反射面１０：投射レンズ鏡筒１１：第２の開口絞り１２：ミラー１３：オフセットレンズ１４：筐体 γ：表示面光軸と照明光軸との傾角 δ：表示面光軸と結像光軸との傾角Ｘ：表示素子の短手方向を含む面内で反射鏡と照明光軸
のなす角度Ｆ₁ ：楕円鏡の第１焦点位置Ｆ₂ ：楕円鏡の第２焦点位置Ｆ₃ ：新第２焦点位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と楕円鏡とが備えられた光源系と、透
過散乱型の動作モードを有する表示素子と反射機能層と
が備えられた光変調手段と、投射表示系とが設けられた
投射型表示装置において、光源系と投射光学系の間の光
路に偏心性結像手段が配置され、光変調手段に入射され
る主光束の入射角γが２°≦γ≦２０°を満足し、光変
調手段から出射される主光束の出射角δが２°≦δ≦２
０°を満足し、光源と光変調手段との間にオフセットレ
ンズが配置されたことを特徴とする投射型光学装置。
【請求項２】光源系の楕円鏡の第１焦点位置に光源が配
置され、第１焦点位置と第２焦点位置との間にオフセッ
トレンズが配置されたことを特徴とする請求項１記載の
投射型表示装置。
【請求項３】オフセットレンズにより、実効的な第２焦
点位置を１０〜１００ｍｍ長くしたことを特徴とする請
求項１または２記載の投射型表示装置。
【請求項４】入射角γは４°≦γ≦８°、出射角δは４
°≦δ≦８°を満足することを特徴とする請求項１、２
または３記載の投射型光学装置。