JPH10268189A - 投射光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超小型・高性能液晶プロジェクターを得る。 【解決手段】光源１、最大有効径φ_MAX ＝５０．８ｍｍ
で反射型のＬＣ／ＰＣ液晶表示素子８、焦点距離ｆ_C ＝
１２０ｍｍのコリメータレンズ７、焦点距離ｆ_P＝６
９．５ｍｍかつＦナンバーが５．５の投射レンズ（偏心
配置）を含む投射光学系１０を設け、ｆ_C とｆ_P の合成
焦点距離ｆ_G ＝６６．４ｍｍ、照明光軸と中心光軸の交
差角度γ＝１０°、結像光軸と中心光軸の交差角度δ＝
１０°、第２の開口中心点から表示素子の最大有効径を
見込む角度α_MAX ＝２３．９°、第２の開口を見込む角
度β_MAX ＝１０°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、透過散乱型の表示
素子を反射式で構成した投射光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投射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、レンズ光学系
を経て、投射する投射光学装置の構造が古くから知られ
ていた。

【０００３】また、投射光学装置に用いる光変調手段と
して種々の光学素子がある。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ー素子、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光学系
とを組み合わせた投射光学装置に関する説明が開示され
た。光変調手段として、ＰＬＺＴや液晶素子が例示さ
れ、シュリーレン光学系と組み合わせた投射光学装置で
あり、従来例１の図８〜１０に反射モードの構成が示さ
れた。

【０００５】また、新しい動作モードを持つ液晶素子を
投射光学装置に用いた発明が特開平５−１９６９２３号
公報（従来例２）や、特開平７−５４１９号公報（従来
例３）に示された。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、あるい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光学装置を形
成した。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、投射表示を行うものであっ
た。

【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ＢＧＲの３色に色分離した
後、各々の色光を変調する３個の反射型表示素子を用い
たカラー投射型液晶表示装置が知られていた。例えば、
特開平４−１４２５２８号公報（従来例４）の第５図、
または特開平４−２３２９１７号公報（従来例５）の第
１図に記載されていた。

【０００８】これらの公知例ではいずれも、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る。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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これらの公知例におい
て、投射レンズと平行光化用凸レンズおよび照明光学系
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いてしまう。

【００１０】また、反射型液晶表示素子の入射光と反射
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し、反射するため、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、液晶表示素子を用いる投射光学装
置においては、その投射光学系の投射レンズを設計する
際に、投射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射画面を高
い位置に、逆に天井付近に置かれる場合は低い位置に投
射できるように偏心光学設計をすることが一般的であ
る。

【００１２】さらに、反射型の投射光学装置の場合、前
述のように照明光学系と投射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ため、一般的にはこの偏
心光学設計が必要となり、投射レンズの有効画面サイズ
は液晶表示素子の有効画面サイズよりかなり大きくする
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るうえ
に、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。また、無理に小型化をしようとすれば照明
光学系と投射光学系が機械的配置で干渉し合う問題も引
き起こしてしまう。

【００１４】これらの課題を避けるための手段の一つと
しては、照明光学系の入射／反射角度を大きくとること
が考えられるが、反射型液晶表示素子に入射する角度が
大きくなり、透過散乱型液晶表示素子の優れた透過・散
乱効果が期待できなくなってしまう。

【００１５】この場合、この入射角と反射角の角度を小
さくするために、光路変更プリズムを反射型液晶表示素
子の直前に付加することも考えられるが、より光学系が
複雑かつ効果で、透過または反射光の光量減、光学的収
差増大等による性能低下が予想される。

【００１６】また、別の手段として、少なくとも一方の
光学系の光路を折り曲げることにより、機械的干渉を避
けることも考えられるが、今度は、光学系を折り曲げる
反射鏡やプリズム等が機械的干渉を引き起こしやすくな
ってしまう問題が生じる。

【００１７】また、反射型液晶素子の画素密度も近年は
ＶＧＡ( ６４０＊４８０）〜ＳＶＧＡ( ８００＊６０
０) 、〜ＸＧＡ( １０２４＊８６８) とだんだん高精細
のものが要求される一方で、一層の小型軽量化が要求さ
れている。

【００１８】この両者を満足するためには、液晶表示素
子が小型でかつ画素密度が大きい、すなわち、画素サイ
ズが小さく、より細かい画素ピッチの液晶表示素子を使
用することが有利であるが、解像力に対する要求もより
厳しくなるため、投射レンズ系がより複雑で高価なもの
になりやすい。

【００１９】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
きくとる光学的に明るい（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
ズ枚数増加、複雑化等を招いて、大型化や高価な反射型
液晶表示装置となってしまうことが予想される。

【００２０】以上のように、反射型液晶表示装置として
は従来、種々の提案がなされているが、投射光学装置全
体として、優れた性能を引き出す、光学系が望まれてい
た。特に液晶表示素子表面の入射角／反射角をあまり大
きくせずに透過散乱特性を良好に維持しながら高密度な
反射型液晶表示素子の画像をスクリーンに明るく投影で
きること。

【００２１】また、全体構成が小型かつ簡素で、かつ、
前記のようなＸＧＡ型の高密度な画素を有する反射型液
晶表示素子との組み合わせも良好であること。および、
スクリーンに投影しうる高解像力、高コントラストな性
能を有する光学系が望まれていた。

【００２２】

【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、特に反射型液晶表示素子
の画素密度が高精細な画素であってもスクリーン上に良
好な画像を拡大投影でき、小型で、軽量かつ高性能な投
射光学装置を提供する。

【００２３】すなわち、本発明の請求項１は、光源、第
１の開口、散乱機能を有する表示素子、反射機能層、コ
リメータレンズ、第２の開口、複数のレンズからなる投
射レンズを含む投射光学系が備えられた投射光学装置で
あって、光源から出射した光束は第１の開口を通り、表
示素子で変調され、反射機能層で反射され、第２の開口
を通り、投射レンズの位置にほぼ結像せしめられ、第１
の開口の中心から出射して表示素子に入射される光束の
中心光軸を照明光軸とし、照明光軸と表示素子との交点
における表示素子面の垂線を中心光軸とし、前記交点を
通り第２の開口の中心を通る光軸を結像光軸とし、照明
光軸と中心光軸とは両者を含む面内で交差角度γを有
し、結像光軸と中心光軸とは両者を含む面内で交差角度
δを有し、光路を偏心するように光源から投射光学系に
至る光路の途中に偏心性結像機能が備えられ、表示素子
から出射した光束はコリメータレンズによって第２の開
口に集束せしめられ、表示素子の最大有効径をφ_MAX 、
第２の開口の略中心点から表示素子の最大有効径を見込
む角度をα_MAX 、表示素子の出射中心点から投射レンズ
の射出瞳（表示素子側の第１の開口の像）を見込む角度
をβ_MAX 、コリメータレンズの焦点距離をｆ_C 、投射レ
ンズの焦点距離をｆ_P 、コリメータレンズと投射レンズ
との合成焦点距離をｆ_G 、投射レンズのＦナンバーをＦ
_n とすると数３を満足することを特徴とする投射光学装
置を提供する。

【００２４】

【数３】 (1a): ４５ｍｍ≦ｆ_C ≦２３０ｍｍ (1b): １５ｍｍ≦ｆ_P ≦１４４ｍｍ (1c): １. ８・φ_MAX ≦ｆ_C ≦３. ０・φ_MAX (1d): ０．９・ｆ_P ≦ｆ_G ≦１．１・ｆ_P (1e): ０. ６・φ_MAX ≦ｆ_P ≦２. １・φ_MAX (1f): １５°≦α_MAX ≦３０° (1g): ４°≦β_MAX ≦２０° (1h): Ｆ_n ≧２．８

【００２５】また、本発明の請求項２は、第２の開口か
ら離れた位置にある前側（スクリーン側）のレンズ群の
焦点距離をｆ₁ 、第２の開口付近に位置する後側（表示
素子側）のレンズ群の焦点距離をｆ₂ 、投射レンズの最
終面とコリメータレンズの前面との中心光軸方向におけ
る間隔をＷとすると、さらに数４を満足することを特徴
とする請求項１記載の投射光学装置を提供する。

【００２６】

【数４】 (1i): ４°≦δ≦１５° (1j): β≦２δ (1k): １. ５・φ_MAX ≦Ｗ≦ｆ_C (1m): １／ｆ₁ ＜０＜１／ｆ₂ (1n): ｜１／ｆ₁ ｜＜｜１／ｆ₂ ｜

【００２７】また、本発明の請求項３は、コリメーター
レンズが一個の平凸レンズで構成され、かつ、その光軸
が中心光軸とほぼ一致するように配置され、かつ、コリ
メータレンズのｄ線に対する屈折率をＮ_C 、表示素子の
基板材料のｄ線における屈折率をＮ_L とすると、１. ３
９≦Ｎ_L ≦Ｎ_C ≦１. ６６の関係を満足することを特徴
とする請求項１または２記載の投射光学装置を提供す
る。

【００２８】また、本発明の請求項４は、コリメーター
レンズが一個の平凸レンズで構成され、かつ、その光軸
が照明光軸とほぼ一致するように配置され、かつ、コリ
メータレンズのｄ線に対する屈折率をＮ_C 、表示素子の
基板材料のｄ線における屈折率をＮ_L とすると、１. ３
９≦Ｎ_L ≦Ｎ_C ≦１. ６６の関係を満足することを特徴
とする請求項１または２記載の投射光学装置を提供す
る。

【００２９】また、本発明の請求項５は、投射レンズの
なかに投射像焦点位置調整を行う可動レンズ群が配置さ
れ、可動レンズ群は第２の開口の位置より、表示素子側
に配置され、リアフォーカス型に設定された請求項１、
２、３または４記載の投射光学装置を提供する。

【００３０】また、本発明の請求項６は、筐体の中に主
たる構成要素が内蔵され、投射レンズの投射像焦点位置
と投射倍率が固定され、その投射画像の画像面位置に、
透過型スクリーンが置かれ、リアプロジェクション型の
投射が行われる請求項１、２、３または４記載の投射光
学装置を提供する。

【００３１】また、本発明の請求項７は、表示素子が液
晶／高分子複合体であることを請求項１〜６のいずれか
１項記載の投射光学装置を提供する。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１と図２に、本発明の投射光学
装置の一例における基本的構成を示す側面図と平面図を
示す。図１の紙面左側から光源光が発せられ、右側の液
晶表示素子に入射され、反射され、投射光学系へと導か
れ、そして投射レンズから投射される状態を示す。

【００３３】光源１、集光反射鏡２、光源の均一化レン
ズ（凸錐体状プリズム）３、第１の開口絞り４、色分離
合成用ダイクロイックミラー５、６、コリメータレンズ
７、反射型の液晶表示素子（ＬＣ／ＰＣ）８、反射型液
晶表示素子の反射面９、結像光学系の投射レンズ鏡筒１
０、結像光学系の開口絞り（第２の開口）１１、反射鏡
１２、実効的な投射レンズ１３、光学系全体の筐体１
４、液晶表示面の光軸と照明光学系の光軸との傾角γ、
液晶表示面の光軸と結像光学系の光軸との傾角δを備え
た投射光学装置である。

【００３４】特に、透過散乱型の動作モードを持つ液晶
表示素子（ＬＣ／ＰＣ層を備えた液晶表示素子）の一方
の表示画像面側に反射面を施して使用する。高い光透過
率と高い散乱能を有しているのでシュリーレン光学系と
組み合わせて用いることが好ましい。

【００３５】このような反射型の光学構成を採用する投
射光学装置においては、照明光学系の光源（共役光源を
含む）の各点から出射し、反射型液晶表示素子に入射す
る光束をその主光線と平行に変換し、さらに反射型液晶
表示素子の反射面で反射して出射してくる光束を投射レ
ンズ側の開口絞り（上記の第２の開口に相当する、以下
投射側開口絞りとも略記する）位置に集束させるコリメ
ータレンズが必要となる。

【００３６】図１、図２に示すように、１枚の平凸形状
のコリメータレンズを採用した場合について以下に説明
を行う。まず、光源系からコリメータレンズを通過して
反射型液晶表示素子の表示面側の反射面によって反射さ
れ、再度コリメータを通過して投射側開口絞り中心に、
光源と共役な位置関係にその光源像を結像するように集
束入射する光束について考える。

【００３７】この光束は、照明光学系によって照明され
ている反射型液晶表示素子の個々の表示画像点から出射
し、投射側開口絞り中心に入射し、さらに反射型液晶表
示素子の有効画面に対応するスクリーン像を形成する個
々の表示画像点の主光線である。

【００３８】すなわち、これらの主光線は、反射型液晶
表示素子の個々の画像点に関して、その垂線を基準にし
て、照明光の入射傾角に対応した反射傾角をなす光線と
仮定できる。言い換えると、これらの主光線のうち、反
射型の液晶表示素子の光軸を含む各断面方向において、
その有効径両端の主光線のなす角度が、投射側開口絞り
中心から、その断面方向における液晶表示素子の最大有
効径（通常は対角サイズが該当する）を見込む反射光の
開き角であるともいえる。

【００３９】なお、微視的に見ればコリメータレンズに
対する入射／反射光であり、実際の透過散乱型の液晶表
示素子に対する入射傾角／反射傾角とは異なり、コリメ
ータレンズの屈折力や厚さ等によってその値は変わって
くるが、密接な比例関係にある。

【００４０】ここで、コリメータレンズの焦点距離をｆ
_C 、反射型液晶表示素子の有効画面の最大有効径をφ
_MAX 、投射側開口絞り中心からこの反射型液晶表示素子
の有効径を見込む開き角をαとする。一般的に、液晶表
示素子の形状は矩形形状であることから、φ_MAX はその
有効対角長となり、αの最大角をα_MAX とする。

【００４１】さらに、図１の側面図において、反射型液
晶表示素子の短手方向有効径をφ_V、反射型液晶表示素
子の短手方向の有効面から出射して投射側開口絞り（開
口、またはアパーチャ）の略中心に入射する光束の最大
の開き角をα_V とし、図２の平面図方向において、反射
型液晶表示素子の長手方向有効径をφ_h 、反射型液晶表
示素子の短手方向の有効面から出射して投射側開口絞り
中心に入射する光束の最大の開き角をα_h とすると、こ
れらの間には数５の関係が成り立つ。なお、α_h 、α
_V 、α_MAX はそれぞれ一つの面内での決定される角度を
意味する。

【００４２】

【数５】 (5a): φ_V ≒２・ｆ_C ・ｔａｎ（α_V ／２） (5b): φ_h ≒２・ｆ_C ・ｔａｎ（α_h ／２） (5c): φ_MAX ≒２・ｆ_C ・ｔａｎ（α_MAX ／２） (5d): α_V ≦α_h ≦α_MAX (5e): φ_V ≦φ_h ≦φ_MAX

【００４３】これから、液晶表示素子の有効径と、これ
を見込む開き角、コリメータレンズの焦点距離ｆ_c の関
係がわかる。また、液晶表示素子の最大有効径φ_MAX を
見込む開き角α_MAX は、これに対応するコリメータレン
ズの最適な焦点距離ｆ_C を決定する。すなわち、α_MAX
とｆ_C は、反射型の投射光学装置にとって、液晶表示素
子に対する照明光学系／投射光学系の主光線の入射傾角
／反射傾角とコリメータの焦点距離を決める重要な指標
であるといえる。

【００４４】一方、透過散乱型の液晶表示素子を反射型
で用いる場合、良好な特性を発揮させるためには入射傾
角／反射傾角は小さいほうが好ましい。一方、投射レン
ズに入射する光束を多くしてスクリーン像を明るくする
ためには、各表示画像点に入射し、反射する各入射傾角
／反射傾角の光線を主光線とした光束の幅（各表示画像
点から投射レンズの開口を見込む開き角）は大きくした
ほうがよい。

【００４５】このためには、反射型の表示素子を用いる
投射光学装置では、少なくとも偏心光学系となる断面方
向では、偏心投射像のシフト量を大きくしたり、照明光
学系と投射光学系の機械的干渉を防ぐため、ある程度入
射傾角／反射傾角は大きくとる必要がある。

【００４６】ここで、使用する反射型液晶表示素子を矩
形として、そのφ_V ：φ_h ：φ_MAXの比を一般的な液晶
表示素子の比、φ_V ：φ_h ：φ_MAX ＝３：４：５とし、
かつ、使用する反射型液晶表示素子の対角長φ_MAX を１
〜３インチサイズとして、液晶表示素子の対角有効径φ
_MAX に対して、前述の反射傾角α_MAX とそのときのコリ
メータレンズの焦点距離ｆ_C の値の関係を表１に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】例えば、構成例１−ａは、使用する反射型
液晶表示素子の対角有効径が１インチサイズの場合、液
晶表示素子の対角有効面から出射して投射側開口絞りの
中心に入射する光束の開き角が１０°となるようなコリ
メータレンズの焦点距離の最適値ｆ_C を示している。

【００４９】表１において、構成例１−ａ、１−ｄ、１
−ｇは、開き角度α_MAX ＝１０°と、かなり小さいとき
のコリメータレンズの焦点距離であるが、表示素子のサ
イズに対する焦点距離としては、かなり大きくなってし
まう。このため、投射光学装置の小型化には不適とな
る。

【００５０】また、構成例１−ｃ、１−ｆ、１−ｉは、
開き角度α＝３０°と、かなり大きいときのコリメータ
レンズの焦点距離であるが、投射光学装置の小型化に適
している。さらに、α_MAX を大きくすれば、どんどんコ
リメータレンズの焦点距離が小さくなる。しかし、前述
のように、透過散乱型の液晶表示素子が良好な特性を発
揮するためには入射傾角／反射傾角があまり大きくない
ほうが好ましい。

【００５１】また、複数の反射型液晶表示素子を採用
し、色分解合成光学系を用いた高品位・高性能な投射光
学装置においては、その色分解／合成用のダイクロイッ
クミラーをコリメータレンズと投射レンズの間に挿入す
る空間が必要になり、あまりコリメータレンズの焦点距
離が小さくなると逆に光学装置が製作困難になってしま
う。

【００５２】したがって、使用する反射型液晶表示素子
のサイズが１〜３インチサイズの範囲の場合、α_MAX 、
ｆ_C としては、およそ、数６の式６ａ、６ｂ、６ｃで示
す範囲の値の範囲が総合バランスの良好な投射光学装置
を得るための条件となる。

【００５３】

【数６】 (6a)： １５°≦α_MAX ≦３０° (6b)： ４５ｍｍ≦ｆ_C ≦２３０ｍｍ (6c)： １. ８・φ_MAX ≦ｆ_C ≦３. ０・φ_MAX

【００５４】図１、図２において、投射レンズは入射
瞳、射出瞳という開口絞りの共役像を有するが、本説明
では、通常の光学的表現に従い、開口絞りより左側（ス
クリーン側）のレンズ群による開口絞りの像を入射瞳、
開口絞りより右側（液晶表示素子側）のレンズ群による
開口絞りの像を射出瞳とする。

【００５５】投射側開口絞り中心を通過する光線はこの
入射瞳中心に向かうように投射レンズに入射し、投射側
開口絞りより前側のレンズ群により屈折されて投射側開
口絞り中心を通過し、今度は投射側開口絞りより後側の
レンズ群により屈折されて、あたかも射出瞳の中心から
出射していくような軌跡を通る。なお、本発明で用いる
投射レンズでは、入出射光線の向きが右から左へと、逆
になっているため、入射瞳／射出瞳の意味が正反対にな
っている。

【００５６】一方、複数のレンズ群から構成される投射
レンズを、実際のレンズではなく投射レンズの前側（ス
クリーン側）焦点距離に対する基準平面として投射レン
ズの屈折力を代表した前側主平面、投射レンズより後側
の焦点距離に対する基準平面として投射レンズの屈折力
を代表した後側主平面として表し、この主平面をもとに
本発明における光線の軌跡を考えると、次のように表現
できる。

【００５７】液晶表示素子の光軸中心点（投射光学系の
結像光軸と液晶表示面との交点）から出射して投射レン
ズの射出瞳中心に向かって入射する主光線は、投射レン
ズの後側主平面で代表される投射レンズの屈折力によっ
て屈折されて、投射側開口絞り中心を通過し、次に前側
主平面で代表される投射レンズの屈折力により再度屈折
され、後側主平面に入射した角度と同じ出射角でスクリ
ーン像面中心に向かう。

【００５８】同様に、液晶表示素子面内の各画像点から
出射する主光線は開口絞り中心を通り、その画像点に対
応するスクリーン上の画像点に達する。一方、液晶表示
素子の各表示画像点から出射して投射レンズの射出瞳の
中心点以外の周辺を通過する光線は、後側主平面により
屈折されて同じ表示画像点から出射する主光線と平行に
なって投射側開口絞りの周辺を通過し、次に前側主平面
により屈折して同じ表示画像点から出射する主光線と同
じ像点位置に向かう。

【００５９】全ての液晶表示素子の各表示画像点から出
射する光線は、全て同様にして投射レンズにより屈折さ
れてその主光線が達するスクリーン上の対応画像点に達
する（光学的な収差が残留している場合はこの限りでは
なく、対応画像点近傍となる。）。

【００６０】以上のようにして液晶表示素子の画面の像
がスクリーン上に結像されるが、図１、図２の矢印付き
の光線は、説明のため、代表的な光線についてのみ図示
を行っているものであり、これらの光線軌跡は実際の軌
跡を必ずしも表しているものではない。次に、投射レン
ズとコリメータレンズを合わせた投射光学系について以
下に説明する。

【００６１】投射レンズの後側主平面とコリメータレン
ズの前側主平面の距離をＥ、投射レンズとコリメータレ
ンズを合わせた合成焦点距離をｆ_G 、そのバックフォー
カスをｆ_b とする。これらの間には次の数７の式７ａ、
７ｂが成り立ち、これから、さらに式７ｃが成り立つ。

【００６２】

【数７】 (7a)：１／ｆ_G ＝１／ｆ_P ＋１／ｆ_C −Ｅ／（ｆ_P ・ｆ
_C ） (7b)：ｆ_b ＝ｆ_G ・（１−Ｅ／ｆ_P ） (7c)：ｆ_G ＝ｆ_P ・（１−ｆ_b ／ｆ_C ）

【００６３】ここで、合成されてその機能を奏する投射
光学系は反射型液晶表示素子の表示画像を拡大してスク
リーン上に結像させているのであるから、逆に見れば、
スクリーン上の画像を液晶表示素子の表示画像の大きさ
に縮小結像しているともいえる。

【００６４】すなわち、この投射レンズとコリメータレ
ンズを合わせた投射光学系は、実際の光線の経路を逆に
して、スクリーンの位置にある物体の像をコリメータレ
ンズの直後の薄い液晶層の保持ガラス体（ガラス基板）
を通過し、透過散乱型の液晶層によって構成される画像
表示面上に結像させている光学系であるとみなすことが
できる。今後、投射光学系の結像関係はこのように逆追
跡状態の光学系として関係式を算出する。

【００６５】合成された投射光学系のバックフォーカス
は、コリメータレンズの液晶表示素子側のレンズ面の光
軸上の頂点から、その光軸上の近軸像点位置、すなわ
ち、コリメータレンズの先の透過散乱型の液晶表示素子
面にある表示画像位置迄の距離である。これより、コリ
メータレンズとガラス基板の間隔をＧ_L 、ガラス基板の
屈折率をＮ_d 、厚さをＴ_L とすると、バックフォーカス
ｆ_b は数８のようにも表せる。

【００６６】

【数８】 (8):ｆ_b ＝Ｇ_L ＋Ｔ_L ／Ｎ_L

【００６７】ここで、ガラス基板の一般的な屈折率Ｎ_L
と厚さＴ_L は、Ｎ_L ≒１. ５２、Ｔ_L ≒１．０ｍｍとし
てもさしつかえない。これにより、数８は数９のように
表せる。

【００６８】

【数９】 (7):ｆ_b ＝Ｇ_L ＋１. ０／１. ５≒Ｇ_L ＋０. ６７

【００６９】また、投射光学装置の一方向における寸法
もしくは全体寸法を少しでも小型化するためには、コリ
メータレンズとガラス基板との間隔をできるだけあけず
に配置することが好ましい。すなわち、コリメータレン
ズが平凸レンズでその平面がガラス基板面と密接してい
るような極端な場合、上記の数８と数９においてＧ_L≒
０と仮定できる。

【００７０】一方、ｆ_C はコリメータレンズの焦点距離
であり、本発明においては既に述べたように、最小でも
約４５ｍｍである。また，投射光学装置にコリメータレ
ンズを組み込む際のコリメーターレンズとガラス基板の
余裕間隔や、ガラス基板の厚さの範囲を考慮したとして
も、ｆ_b は４. ５ｍｍ以下に収めることは十分可能であ
る。以上より、ｆ_b ／ｆ_C は、数１０で示すような範囲
の値に設定できる。

【００７１】

【数１０】 (8):｜ｆ_b ／ｆ_C ｜≦４. ５／４５＝０. １

【００７２】ここで、ｆ_b ／ｆ_C の値の絶対値としたの
は、投射範囲の変動に対するフォーカス調整やベストフ
ォーカスとの差、コリメータレンズの焦点距離や形状、
等の影響により、わずかではあるが、ｆ_b ／ｆ_C の値が
負になることが予想されるからである。

【００７３】以上、数５の式５ｃと数８より、投射レン
ズとコリメータレンズとを合わせた投射レンズの合成焦
点距離ｆ_G と、投射レンズのみの焦点距離ｆ_P との間に
は次の数１１が成り立つ。

【００７４】

【数１１】 (11): ０．９・ｆ_P ≦ｆ_G ≦１．１・ｆ_P

【００７５】すなわち、反射型の液晶表示素子を用い
て、その直前にコリメータレンズを配置し、かつ投射レ
ンズとコリメータレンズを合わせて投射光学装置の結像
光学系を構成するとき、その合成焦点距離は、コリメー
タレンズの焦点距離とはほぼ無関係に、投射レンズの焦
点距離とほぼ等しい数１１の範囲にあるような配置とす
ることができることがわかる。これにより、透過散乱型
液晶表示素子を投射光学装置の光変調手段として使用す
る場合に、組み合わせて用いるシュリーレン光学系の光
学性能を良好に発揮させることが可能になる。

【００７６】次に投射距離と倍率について考える。投射
レンズとコリメータレンズの合成焦点距離ｆ_G の前側主
平面からスクリーン像迄の距離をＳ、後側主平面から液
晶表示素子の表示面までの距離をＳ’とし、拡大投射倍
率をＭとする。この場合、数１２の式１２ａ、式１２ｂ
が成り立ち、これから式１２ｃが得られる。Ｓ、Ｓ’
は、計算式上では両方の主平面位置から前（図１、図２
で左）側にある場合、負の数値で表す。

【００７７】

【数１２】 (12a) ： １／Ｓ’＝１／Ｓ＋１／ｆ_G (12b) ： Ｓ／Ｓ’＝Ｍ (12c) ： Ｓ＝（Ｍ−１）・ｆ_G

【００７８】ここで、使用する液晶表示素子のサイズφ
_MAX を１〜３インチサイズとし、Ｓの値をレンズからス
クリーン迄の投射距離とし、投射像のサイズをφ_S とす
る。ここで、本発明で用いる投射光学系の場合には、投
射距離Ｓが１ｍ、３ｍ、７ｍのとき、スクリーン上の投
射像のサイズが２０インチサイズ、１００インチサイ
ズ、３００インチサイズになるようにすると、投射レン
ズの焦点距離と倍率その他の関係は、表２のようにな
る。

【００７９】

【表２】

【００８０】表２から、例えば構成例２−ａ、２−ｂ、
２−ｃは、使用する液晶表示素子を１インチサイズとし
たとき、投射距離が１ｍ、３ｍ、７ｍでスクリーンサイ
ズがそれぞれ２０インチサイズ、１００インチサイズ、
３００インチサイズになるような、投射レンズとコリメ
ータレンズを合わせた投射光学系の合成焦点距離ｆ_Gは
それぞれ、およそ４８ｍｍ、３０ｍｍ、２３ｍｍにすれ
ばよいことがわかる。また、その間の投射距離と倍率、
焦点距離も全て式１１ａから求まる。

【００８１】すなわち、投射距離が１〜６ｍの範囲でス
クリーンサイズがそれぞれ２０〜３００インチサイズに
なるような、投射レンズとコリメータレンズを合わせた
投射光学系の合成焦点距離ｆ_G は、４８〜２３ｍｍとす
ればよいことがわかる。

【００８２】さらに、この場合、数９から投射レンズの
焦点距離範囲は、およそ２１〜５２ｍｍとすればよいこ
とがわかる。同様にして、使用する液晶表示素子が２イ
ンチサイズのとき、投射レンズの焦点距離はおよそ４２
〜１００ｍｍの範囲にあることがわかり、また、３イン
チサイズの液晶表示素子を使用するとき、投射レンズの
焦点距離は６２〜１４４ｍｍとすればよいことがわか
る。

【００８３】すなわち、使用する液晶表示素子のサイズ
が１〜３インチサイズの範囲では、投射レンズの焦点距
離は、使用する液晶素子の有効対角径φ_MAX を基準にす
ると、投射レンズの焦点距離範囲は、数１３の式１３
ａ、かつ式１３ｂを満足するような範囲であることが好
ましい。

【００８４】

【数１３】 (13a) ： ２１ｍｍ≦ｆ_P ≦１４４ｍｍ (13b) ： ０. ８・φ_MAX ≦ｆ_P ≦２. １・φ_MAX

【００８５】さらに、上記の投射光学系は投射レンズに
おいて、上記のように焦点距離を変化させる投射距離／
倍率調整機構が必要となる。この調整機構としては、投
射レンズ全体の位置を光軸方向に変化させる全体繰り出
し方式と、投射レンズの一部のレンズ群を移動させるこ
とによって、投射倍率と焦点調整を変化させるカム移動
方式があるが、通常ではカム移動方式を採用する。

【００８６】さらに、焦点調整機構の中でも投射レンズ
の前側レンズ群をフォーカス群とよび、この群だけの移
動（まれに他の群の一部も併せて移動する場合もある）
により焦点調整を行うフロントフォーカス方式が多い。
特に投射光学装置の投射レンズの場合、ほとんどの投射
レンズの焦点調整機構はこの方式である。これは投射レ
ンズは光学装置の筐体に投射収納されて使用されるが、
この場合、投射レンズの前側のフォーカス調整部分だけ
投射光学装置の外部に露出した形態にしやすく、機構上
も簡単で、外観上も良い利点がある。本発明においても
この方式は当然採用可能である。

【００８７】しかし、本発明のような照明光学系と投射
レンズ系が液晶表示素子に対して同一側にあるような、
反射型かつ偏心投射型の光学系は、両光学系の光束が偏
心光軸を含む方向（通常は高さ方向）に斜めになってい
る。この場合、投射レンズは、この光束を遮蔽すること
なくスクリーンに結像させるために、偏心光軸ではない
場合に比べて各レンズの有効径を大きくする必要があ
る。

【００８８】そして、その大きさは使用する液晶表示素
子の画面サイズや偏心角度が大きくなればなるほど、さ
らに大きくなってしまう傾向がある。これに対して、投
射レンズの光軸を液晶表示素子の対角有効径の中心垂線
と同一軸にすれば光学設計も小型化も簡単になるが、こ
の装置でスクリーンに液晶表示素子の画像を投射する場
合、光学装置自体がスクリーン像の鑑賞の際に邪魔にな
りやすい。

【００８９】この場合、スクリーン面に対して光学装置
を斜めにすると、スクリーン面と液晶表示素子面が正対
しないあおり投射となり、スクリーン像が大きく歪曲し
た像となってしまう。

【００９０】以上のように、偏心投射機能は光学装置に
正対したスクリーンに投射するフロント型の投射型光学
装置の場合、非常に重要な機能であるため、投射レンズ
は大型化しやすい。特に前側レンズ群は液晶表示素子と
最も遠くなるため大型化しやすくなる。この大型化した
前群レンズは口径は大きいが、実際にその中を通る光束
はその偏心量にもよるが、通常はその半分かそれ以下で
あることが多い。

【００９１】また、大きい前側レンズ群を移動する場
合、一般にはヘリコイドネジを刻んで回転させながら移
動する方式を取るため、このレンズ群は円形である必要
があり、ある固定点では不要部が多いにも関わらず、小
さくできない。このため前側レンズ群を直線移動する方
式を取ればこの不要部は切り取って、レンズを小さくす
ることができる。

【００９２】しかし、この方式の場合、焦点調整機構の
精度や保持がやや困難になる。一方、別の焦点調整機構
として、光学設計上はやや難しくなるが、後側レンズ群
の一部を移動させることによって焦点距離変化を起こさ
せ、焦点位置調整を可能とする機構をとることにより、
前述のように大きな前側レンズ群は固定のままで移動さ
せる必要がなくなり、かつ不要部分を切り取ることで、
より小型化も可能となる。本発明の実施例ではこの機構
を採用しているものがあり、非常に小型化を達成でき
た。

【００９３】また、上記とは別のタイプの投射光学装置
として、実用時には固定された投射距離と倍率で使用さ
れるタイプの投射光学系を採用した装置（例えば、据え
置きＴＶセットの固定サイズのスクリーンに液晶表示素
子の表示画像を投射するリア投射光学装置を用いたＴＶ
装置等）がある。

【００９４】この装置の場合、鑑賞するスクリーン像は
一般のＴＶのよう投射光学系はスクリーンの向こう側と
なり、投射レンズと反射型液晶表示素子は偏心させる必
要はなくなるため、投射レンズは小型化できると考えら
れる。

【００９５】さらに、投射レンズの投射像焦点位置と投
射倍率が固定されるため、光学設計／製作上簡単になる
利点がある。しかし、逆に大きな透過型スクリーンや筐
体を薄型にするための光路折り曲げ用の大きな反射ミラ
ーは必要である。

【００９６】このような投射光学系としては筐体を小型
化・薄型化するためには、投射距離を短くする必要があ
り、このため投射レンズは広角レンズとなり、前玉口径
も大きくなり、前述したように簡単に小型化を達成でき
ない。以上のようにリア投射光学系の投射距離と倍率そ
の他の関係は、上記の表２の範囲が最適とは限らない。

【００９７】実例として表３に、本発明中のように透過
散乱型の１〜３インチサイズの液晶表示素子を使用した
場合、投射距離Ｓが１ｍと短く、スクリーン上の投射像
のインチサイズを２０、または４０、または６０のいず
れかに固定した倍率を有する投射レンズの焦点距離と倍
率その他の関係は、表３のようになる。

【００９８】

【表３】

【００９９】表３のうちの構成例３−ａ、３−ｂ、３−
ｃからは、使用する液晶表示素子のサイズを１インチサ
イズかつ投射距離を１ｍと固定したとき、スクリーンサ
イズがそれぞれ２０、４０、６０インチサイズになるよ
うな、投射レンズの焦点距離ｆ_P はそれぞれ、およそ４
３〜５２ｍｍ、２２〜２７ｍｍ、１５〜１８ｍｍの範囲
で最適化すればよいことがわかる。同様にして、構成例
３−ｄ、３−ｅ、３−ｆからは、使用する液晶表示素子
のサイズを２インチサイズかつ投射距離を１ｍと固定し
たとき、スクリーンサイズをそれぞれ２０、４０、６０
インチサイズになるような、投射レンズの焦点距離ｆ_P
はそれぞれ、およそ８２〜１００ｍｍ、４３〜５２ｍ
ｍ、２９〜３６ｍｍの範囲で最適化すればよいことがわ
かる。

【０１００】同様にして、構成例３−ｇ、３−ｈ、３−
ｉからは、使用する液晶表示素子のサイズを２インチサ
イズかつ投射距離を１ｍと固定したとき、スクリーンサ
イズをそれぞれ２０、４０、６０インチサイズになるよ
うな、投射レンズの焦点距離ｆ_P はそれぞれ、およそ１
１７〜１４４ｍｍ、６３〜７７ｍｍ、４３〜５２ｍｍの
範囲で最適化すればよいことがわかる。すなわち、この
場合を数１３のように表せば、数１４の１４ａ、１４ｂ
のような範囲として表せる。

【０１０１】

【数１４】 (14a) ： １５ｍｍ≦ｆ_P ≦１４４ｍｍ (14b) ：０. ６・φ_I ≦ｆ_P ≦２. １・φ_I

【０１０２】すなわち、使用する液晶表示素子のサイズ
が１〜３インチサイズの範囲で、投射像サイズが２０〜
６０インチサイズの間の１点かつ投射距離を１ｍと固定
する場合、投射レンズの焦点距離は、使用する液晶表示
素子の有効対角径φ_MAX を基準にすると、投射レンズの
焦点距離範囲は、数１４の式１４ａ、かつ式１４ｂを満
足するような範囲であることが好ましい。

【０１０３】ここで、数１３と数１４の範囲は若干異な
るが、数１３、１４の条件は投射距離と倍率の設定が変
わればその範囲も数１２の関係にしたがって若干変わり
うる。しかし、ほとんど違いはないため、数１４の範囲
は投射レンズの焦点距離範囲として非常に有効な範囲を
示しているといえる。

【０１０４】実際には、投射レンズの焦点距離は、使用
する液晶表示素子のサイズや投射倍率や投射距離範囲に
対応して上記範囲の中から最適化範囲を絞って設定し、
投射レンズの構成レンズの一部（あるいは全部）を光軸
方向に移動することによって、倍率や投射距離を変化さ
せればよい。

【０１０５】しかし、本発明のように透過散乱型の１〜
３インチサイズ迄の液晶表示素子を使用した場合、投射
レンズの焦点距離ｆ_P は上記の式１４ａ、かつ式１４ｂ
を満足するような範囲にあることが、小型でかつ良好な
スクリーン画像を提供する投射光学装置を実現可能とす
るために必要な条件となる。

【０１０６】次に、投射レンズ系の光学仕様（焦点距
離、Ｆナンバー、口径等）の関係について述べる。図
１、図２において、投射光学系と反射型液晶表示素子の
中心光軸間距離をΔＡ、表示素子の出射中心点から投射
レンズの射出瞳を見込む最大角をβ_MAX 、その光束が投
射レンズの後側主平面を通過する最大径をφ_A 、投射レ
ンズの焦点距離をｆ_P 、そのＦナンバーをＦ_n とする。

【０１０７】ここで、透過散乱型の液晶表示素子を反射
型で用いる場合、前述したように、良好な特性を発揮し
得るためには入射／反射角は小さく、その表示素子の出
射中心点から投射レンズの射出瞳を見込む最大角は大き
いほうが好ましい。

【０１０８】しかし、一般的には、反射型の投射光学装
置の投射光学系は、液晶表示素子の特定の中心点、ある
いはコリメータレンズの光軸に対して少なくとも一方の
方向で偏心投射結像光学系となる。

【０１０９】また、明るさとコントラストは相反する特
性があるため、本発明においては、その範囲を透過散乱
型の液晶が良好な特性を発揮しうる条件として、投射光
学系の偏心方向の光軸の傾角δを２°≦δ≦１５°か
つ、その開き角を４°≦β_MAX≦２０°に設定すると、
これらの間には次の数１５の式１５ａ、式１５ｂ、式１
５ｃの関係がほぼ成立する。さらにこれらより、数１６
が導かれる。

【０１１０】

【数１５】 (15a) ： φ_A ≒２・ｆ_P ・ｔａｎ（β_MAX ／２） (15b) ： Ｆ_n ＝ｆ_P ／φ_A (15c) ： ΔＡ≒ｆ_P ・ｔａｎ（δ）

【０１１１】

【数１６】 (16): ΔＡ−φ_A ／２≒ｆ_P ・（ｔａｎ（δ）−ｔａｎ
（β_MAX ／２））

【０１１２】ここで、「ΔＡ−φ_A ／２」は、結像光学
系の光軸のチルト偏心による投射レンズの光軸のシフト
量ΔＡと投射レンズの射出瞳半径φ_A ／２との差である
から、この値が負になることは、投射レンズが反射型液
晶表示素子の中心光軸を超えて照明光学系側にまで大き
くなってしまう可能性が高いことを意味する。

【０１１３】この場合、機械的な干渉等が発生しやすく
なるため、投射光学装置の製作が困難になることが予想
される。したがって、「ΔＡ−φ_A ／２≧０」であるこ
とが好ましい。これと数１６より次の数１７の関係が導
かれる。

【０１１４】

【数１７】 (17): ｔａｎ（δ）≧ｔａｎ（β_MAX ／２）

【０１１５】ここで、投射光学系の光軸の傾角δは、２
°≦δ≦１５°という小さい角度の範囲であり、β_MAX
／２も同様の範囲とすると、次の数１８の式１８ａ、式
１８ｂの関係がほぼ成立し、これと数１７から数１９の
関係が成立する。

【０１１６】

【数１８】 (18a):ｔａｎ（δ）≒δ (18b):ｔａｎ（β_MAX ／２）≒β_MAX ／２

【０１１７】

【数１９】 (19): δ≧β／２

【０１１８】ここで、ｆ_P は、反射型液晶表示素子のサ
イズを１〜３インチサイズ迄の範囲の場合に、既に得ら
れた好ましい範囲の１５ｍｍ≦ｆ_P ≦１４４ｍｍとし、
δとβ_MAX は、４°≦δ≦１５°、かつ、４°≦β_MAX
≦２０°かつ、数１９を満足するような角度範囲で式１
５ａ、式１５ｂ、式１５ｃ、数１６の各項のとりうる範
囲を調べてみると表４、表５、表６のようになる。

【０１１９】

【表４】

【０１２０】

【表５】

【０１２１】

【表６】

【０１２２】ここで、表４の構成例３−ｃ、表５の構成
例４−ｃ、表６の構成例５−ｃのいずれにおいても、β
＞２・δとなって数１９を満足せず、「ΔＡ−φ_A ／
２」の値が負となってしまい、不適であることがわか
る。

【０１２３】すなわち、投射光学系の傾角を小さくした
まま、その２倍を超える開き角で投射レンズの開口径を
大きくすると、偏心による投射レンズの光軸シフト量よ
りも投射レンズの開口径のほうが大きくなってしまい、
投射レンズなどの投射光学装置の光学系が機械的に干渉
し（ぶつかり）あいやすくなり、製作に困難なものとな
ってしまう可能性が高くなることが予想できる。

【０１２４】一方、投射レンズのＦナンバーは２．８以
上であればよく、それ以上大口径比にする必要がないこ
とがわかる。すなわち、透過散乱型の液晶表示素子を反
射型の投射光学装置に用いる場合、投射レンズに入射す
る光束はどんなに大口径比でも必要以上に大きくしなく
てよく、逆にそうした場合、多少明るくなったとしても
コントラスト等のスクリーンの画質が大きく低化してし
まうことになる。

【０１２５】今後、液晶表示素子の画素密度がＶＧＡ〜
ＳＶＧＡ〜ＸＧＡと、ますます高密度化に対応した高い
投影解像力を有する小型の投射レンズが必要となってき
ているが、本発明で用いる投射レンズは、これに対し、
上記の大きな利点があるため、投射レンズの設計と製作
が非常に容易となることが予想できる。

【０１２６】また、これにより、投射レンズ枚数も少な
く、口径も焦点距離に比して小さくなり、小型でスクリ
ーン像の明るさを落とすことなく、安価で高性能な投射
レンズが容易に実現できることが保証される。

【０１２７】また、最近では光源ランプのがさらに明る
くなっても、発光部のアーク長は大きくならずにさらに
小さいものが多くなっている。透過散乱型の液晶表示素
子をこのような光源ランプとともに用いて反射型の投射
光学装置としたとき、投射レンズに入射させる開き角β
はさらに小さくできることにより、開口径は小さくで
き、Ｆナンバーは大きく（暗く）してよくなることが予
想されるため、前述の効果がますます発揮される。

【０１２８】すなわち、他のタイプの液晶表示素子を用
いた投射光学装置では、明るく、小型、安価、高性能と
いう要求を実現するには困難な課題が、透過散乱型の液
晶表示素子を反射型として用い、本発明の投射レンズと
組み合わせることにより、ますます安易に解決可能とな
ることが保証される。これにより、今後、明るく、小
型、安価、高性能という点で比類のない投射型光学装置
が実現可能となる。

【０１２９】最後に投射レンズとコリメータレンズの間
の実際の間隔について考える。投射レンズの焦点距離を
ｆ_P とし、さらに、投射レンズを機能別に大きく２群に
分けて、投射レンズの近傍にある第２の開口付近から遠
い前側（スクリーン側）のレンズ群の焦点距離をｆ₁ 、
第２の開口付近の後側（液晶表示素子側）のレンズ群の
焦点距離をｆ₂ 、ｆ₁ とｆ₂ の主平面間隔をＥ_P とし、
そのバックフォーカスをｆ_Pbとすると、これらの間には
数２０の関係が成り立つ。

【０１３０】

【数２０】 (20a):１／ｆ_P ＝１／ｆ₁ ＋１／ｆ₂ −Ｅ_P ／（ｆ₁ ・
ｆ₂ ） (20b):ｆ_pb＝ｆ_P ・（１−Ｅ_P ／ｆ₁ ）

【０１３１】一方、コリメータレンズの厚さをＴ_C 、屈
折率をＮ_d とし、液晶表示素子のガラス基板の厚さをＴ
_L 、屈折率をＮ_L とし、投射レンズの後側最終面とコリ
メータレンズ前面の間隔をＷとすると、コリメータレン
ズのバックフォーカス位置は液晶表示素子の面の位置に
あるから、これらの間には数２１の式２１ａの関係が成
り立つ。これと式２０ｂからさらに式２１ｂが得られ
る。

【０１３２】

【数２１】 (21a):Ｗ＝ｆ_Pb−（Ｔ_C ／Ｎ_C ＋Ｔ_L ／Ｎ_L ） (21b):Ｗ＝ｆ_P ・（１−Ｅ_P ／ｆ₁ ）−（Ｔ_C ／Ｎ_C ＋
Ｔ_L ／Ｎ_L ）

【０１３３】ここで、図１、図２の例に示したような３
枚の液晶表示素子（３板フルカラー）を用いてより良好
なカラー表示機能を有する投射型光学装置においては、
反射型液晶表示素子と光源系の間、および反射型液晶表
示素子と結像光学系との間に色分離合成用のダイクロイ
ックミラーを挿入する空間が必要となる。

【０１３４】このため、投射レンズの後側最終面とコリ
メータレンズ前面の間隔をＷは、小型化を維持しながら
この空間を確保できるような大きさが必要となる。数２
１において、後半の項（Ｔ_C ／Ｎ_C ＋Ｔ_L ／Ｎ_L ）は正
の値である。これは小さい方が好ましい。

【０１３５】通常、液晶表示素子のガラス基板の厚さは
１ｍｍ前後と薄くほぼ固定されている厚さであり、その
硝子材料もほとんど固定されており、屈折率も１. ５位
の値であるため、Ｔ_L ／Ｎ_L の値はほとんど一定の小さ
い値であり、Ｗに対する影響はほとんどない。

【０１３６】一方、コリーメータレンズの大きさは使用
するガラス基板の対角有効径φ_MAXに比例して大きくな
り、その厚さＴ_C の値も大きくなる。この場合、液晶表
示素子の有効径の中心点を液晶表示素子の光軸中心と
し、コリメータレンズの光軸中心をこの軸と同軸とする
ことが最もコリメータレンズの厚さを薄くできる。

【０１３７】さらに、コリメータレンズの屈折率は高い
ほうがよい。またコリメータレンズとガラス基板の間隔
はできるだけ小さいほうがよく、その一例として、液晶
表示素子面側に相対するレンズ面を平面とすればその間
隔はほぼゼロにできる。

【０１３８】しかし、このような平凸レンズの屈折力は
投射レンズ側の面の曲率半径Ｒ_C と屈折率Ｎ_C で決まる
ため、中心厚Ｔ_C を薄くするためには、Ｒ_C が大きい方
がよいが、コリメータレンズの屈折力が弱くなって、目
標の焦点距離が達成できなくなるおそれがある。

【０１３９】そこで、焦点距離を目標値にしたまま薄く
するためには屈折率が高いガラス材料が好ましい。しか
し、今度は平凸レンズの平面と液晶レンズの間の界面の
反射が高くなり、明るさに重要な透過光量が減少してし
まう可能性がある。

【０１４０】だからといって、界面を離せばそれぞれの
界面に反射防止コートが必要になるが、コリメータレン
ズの平面に設けることができても、液晶表示素子のガラ
ス基板面には完全な反射防止性能を付与することが困難
となる。なぜなら、液晶表示素子の製作工程上およびＲ
ＧＢ３色それぞれの波長に対する専用のコーティングが
必要になることと、生産性を低下させ、調整が複雑化す
るからである。

【０１４１】そこで本発明の一例のように、平凸レンズ
の液晶表示素子のガラス基板面側の面を平面とし、ガラ
ス基板の平面と密着させてしまうほうがよいことにな
る。ところが、この場合、コリメータレンズ材料の屈折
率とガラス基板の屈折率とが異なると、この差による界
面反射が生じ、やはり透過光量が減ることになる。その
反射率をＲ_f とすると、簡単には数２２で表せる。

【０１４２】

【数２２】 (22): Ｒ_C ＝（Ｎ_C −Ｎ_L ）² ／（Ｎ_C ＋Ｎ_L ）²

【０１４３】ここで、Ｎ_L の値は固定であり、Ｒ_C の値
が小さくなるためにはＮ_C がＮ_L の値に近いほうがよい
ことになる。設計においては、コリメータレンズの厚さ
とこの反射率とを勘案して決めることになるが、この反
射率はどんなに大きくても０. ２％以下であることが好
ましい。ガラス基板の屈折率として、代表的なＮ_L の値
を約１. ５２とすると、数２２より、Ｎ_C の値の範囲と
しては、数２３の範囲であることが好ましいことがわか
る。

【０１４４】

【数２３】 (23): １. ３９≦Ｎ_C ≦１. ６６

【０１４５】また、前述したようにコリメータレンズの
屈折率は高いほうが中心厚を薄くできるため、これと数
２３の条件より、コリメータレンズの形状を液晶側を平
面として使用する場合、ガラス基板の平面に密着させ、
かつ、そのコリメータレンズの屈折率は、数２４の範囲
であることが好ましい。

【０１４６】

【数２４】 (24): Ｎ_L ≦Ｎ_C ≦１. ６６

【０１４７】この条件は、コリメータレンズの光軸がガ
ラス基板の対角有効径の中心垂線と同軸であるか否かに
関わらない。しかし、そのなかでも、さらにコリメータ
レンズの厚さを薄くできるだけ薄くして、投射レンズと
コリメータレンズの間隔を大きくとるためには、コリメ
ータレンズの光軸がガラス基板の対角有効径の中心垂線
と同軸となるように配置することが好ましい。

【０１４８】こうすることにより、一般的にコリメータ
レンズの製作もしやすく、また投射光学系の光学的収差
を向上せしめて、投射像の画質を改善することにも有効
である。

【０１４９】しかし、数２１の後半の項「Ｔ_C ／Ｎ_C ＋
Ｔ_L ／Ｎ_L 」は正の値であり、数２１からわかるように
小さくするほうがよい。しかし、それにも制限があり、
投射レンズとコリメータレンズの間隔を大きくするため
の有効な自由度とはなり得ない。このためには、数２１
の前半の項を大きくするほうが効果的である。すなわ
ち、Ｗを大きくするためには、ｆ_P を大きくするか、
「１−Ｅ_P ／ｆ₁ 」を大きくすればよい。

【０１５０】しかし、ｆ_P を大きくするとしても、既に
述べたように、ｆ_P の大きさは、使用する液晶表示素子
のサイズが１〜３インチサイズの範囲では、使用する液
晶表示素子の有効対角径φ_MAX を基準にして、投射レン
ズの焦点距離範囲は、数１４の式１４ａ、かつ式１４ｂ
の満足する範囲となり、あまり自由度はない。しかも安
易に大きくすれば小型化の目的を達成できなくなってし
まう。

【０１５１】すなわち、できるだけ小型化を保ちなが
ら、数１９の後半の項で示すようなコリメータレンズや
液晶表示素子のガラスの厚さによる間隔の減少分を補
い、かつ色分解合成用のプリズムあるいはダイクロイッ
クミラー等を挿入する最小限の空間を維持するために
は、数２１の前項の「１−Ｅ_P ／ｆ₁ 」を大きくする方
がよい。

【０１５２】ここでＥ_P は前述したように、投射レンズ
の前側のレンズ群の（後側）主平面と、後側のレンズ群
の（前側）主平面との間隔であり、通常は正の値であ
る。このため、上記の前側レンズ群の焦点距離ｆ₁ は負
の値、すなわち、発散レンズの作用を有する必要があ
る。

【０１５３】これから、投射レンズとコリメータの間隔
を大きくするためには、前側レンズ群と後側レンズの主
平面間隔を大きくするか、前側レンズ群の焦点距離ｆ₁
を負の値で小さく（すなわち屈折力を大きく）するか、
あるいはその比（−Ｅ_P ／ｆ₁ ）が大きくなるようにす
ればよい。

【０１５４】しかし、このうち前側レンズ群と後側レン
ズの主平面間隔をあまり大きくすると、投射レンズが大
きくなってしまうおそれがある。また、投射レンズの焦
点距離は数２０の式２０ａの関係を有するから、投射レ
ンズの後側レンズ群の焦点距離ｆ₂ は正でかつ、その屈
折力１／ｆ₂ は、前側レンズ群の屈折力１／ｆ₁ よりも
大きいほうが好ましい。すなわち、数２５の２５ａ、２
５ｂが成り立つことが好ましい。

【０１５５】

【数２５】 (25a) ： １／ｆ₁ ＜０＜１／ｆ₂ (25b) ： ｜１／ｆ₁ ｜＜｜１／ｆ₂ ｜

【０１５６】一方、投射レンズとコリメータレンズの間
の間隔がどのくらい必要かというと、これは使用する液
晶表示素子の対角有効径φ_MAX のサイズ、照明光学系と
投射レンズ系の光束径を透過／反射できる有効径を有す
るダイクロイックプリズムまたはミラーの大きさ等を考
慮する必要があるが、このうち対角有効径φ_MAX のサイ
ズが支配的となる。

【０１５７】すなわち、使用する液晶表示素子の対角有
効サイズφ_MAX に対して投射光学装置の照明／結像光束
の幅を考慮すると、ダイクロイックプリズムを使用して
どんなに小さくしてもその有効径φ_MAX 以上の間隔が必
要となる。ダイクロイックミラーを用いた場合は、その
機械的保持機構まで含めると、１. ５・φ_MAX 以上が好
ましい。

【０１５８】しかし、あまり大きすぎては小型化を達成
できない。このため、偏心結像光学系の光束確保のため
の有効径の増加分や、光学素子の機械的保持機構ダイク
ロイックミラーを用いる際のスペース確保等を考慮して
も、φ_MAX の３倍以内であることが望ましい。

【０１５９】また、投射レンズの開口絞りは通常投射レ
ンズのなかにあり、コリメータレンズの焦点距離ｆ_C は
この位置付近までの長さとなるため、ｆ_C まで大きくす
ることはできない。すなわち、投射レンズの最終面とコ
リメータレンズの間の間隔Ｗは数２６で示す範囲である
ことが好ましい。以下、本発明の実施例について説明す
る。

【０１６０】

【数２６】 (26): １. ５・φ_MAX ≦Ｗ≦ｆ_C

【０１６１】

【実施例】表７および表８に実施例１〜３までの投射光
学系（投射レンズＰＬとコリメータレンズＣＬ）のレン
ズの仕様表を示し、さらに表９、表１０、表１１にそれ
ぞれのレンズデータを示す。本発明の説明で使用してい
る各条件項データは表７と表８の各項に示す通りで請求
項の条件式を満足するものである。

【０１６２】

【表７】

【０１６３】

【表８】

【０１６４】

【表９】

【０１６５】

【表１０】

【０１６６】

【表１１】

【０１６７】（実施例１）実施例１の仕様を表７および
表８に示す。本例では、表示面に反射面を施した透過散
乱型の液晶表示素子の対角長を２インチサイズとし、こ
の液晶表示素子の対角中心の垂線と平凸のコリメータレ
ンズ（以下、ＣＬと略記する）の光軸を同軸とし、これ
と投射レンズの光軸が１０°偏心している状態のもので
ある。上記の説明であげた各パラメータのデータは表７
および表８に示す通りである。

【０１６８】投射サイズと投射距離は３０〜３００イン
チサイズ迄可能だが、焦点調整方式は前側のレンズ群３
枚の繰り出し方式で、６０〜１２０インチサイズ前後が
通常の使用範囲であり、この範囲ではほぼ良好な収差状
態である。１００インチサイズ投射時の光路図と幾何光
学的収差図を図３、図４に示す。

【０１６９】これらの図は、Δｘ、Δｙは投射側開口絞
りを通る光束のうち、Ｘ、Ｙそれぞれの断面内を通る光
線が、像面上（本発明では、逆追跡評価のシミュレーシ
ョン手法を採用しているため、スクリーン上ではなく、
表示素子面上となる）で理想像点位置からどれくらいず
れているかを示す横収差図である。

【０１７０】ｙはそれらの光束の像高比を示し、ｙ＝＋
１．０のとき、最大像高点に向かう光束の横収差を示
し、ｙ＝０は光軸と平行に入射して像中心に向かう光
束、ｙ＝−１．０はｙ＝＋１．０の場合と反対側の最大
像高点に向かう光束の横収差を示す。

【０１７１】ここで、φ_A は各像高点に向かう光束の直
径（投射側開口絞りの径）を示し、φ_A 上の各点はΔ
ｘ、Δｙそれぞれの場合、Ｘ、Ｙ断面方向の各開口断面
上の各点を通過する光線を示し、図面上縦方向は理想像
点からのずれ量（収差量）を示す。

【０１７２】また、Ｇｒｅｅｎ（緑）、Ｒｅｄ（赤）、
Ｂｌｕｅ（青）の収差線はそれぞれ可視光域における緑
色、赤色、青色波長の光線の横収差を示す。右側のＡＳ
は非点収差図（Ｇｒｅｅｎ波長のみを図示）、ＳはＳａ
ｇｉｔａｌ（球欠）方向、ＴはＴａｎｇｅｎｔｉａｌ
（子午線）方向の各断面における光線の結像点の像面か
らの離れ量を横軸に示す。縦軸ｙ＝−１．０〜０．０〜
＋１．０は上記と同様で、対応像高点を示す。

【０１７３】（実施例２）実施例１と同様に、実施例２
は表示面に反射面を施した透過散乱型の液晶表示素子の
対角長を２インチとし、投射レンズの光軸と平凸ＣＬの
光軸を同軸とし、これと液晶表示素子の対角中心点の垂
線が同軸ではなく、１０°偏心している状態のものであ
る。また、実施例１との大きな違いとしては、平凸ＣＬ
が液晶表示素子の有効径をカバーするために、大きく、
かつ、厚くなってしまっているが界面反射率が許される
範囲で厚さを薄くするために、高屈折率のガラス材料に
していることである。

【０１７４】これによりＣＬは製作しやすくなり、また
光学的収差も改善される。投射サイズと投射距離は２０
〜２００インチサイズ迄可能だが、焦点調整方式は実施
例１と同じく前側のレンズ群３枚の繰り出し方式とな
る。この際、４０〜１００インチサイズまでが通常の使
用範囲であり、この範囲ではほぼ良好な収差状態であ
る。４０インチサイズ投射時の光路図と幾何光学的収差
図を図５、図６に示す。

【０１７５】（実施例３）実施例３は、実施例１と平凸
ＣＬも同じで光学仕様はほとんど同じである。焦点調整
方式が異なり、投射レンズの後群のうち、絞りの後ろの
レンズ群２枚のレンズを移動することにより、調整する
ものである。このため、投射レンズとＣＬの間隔が変わ
るが、その量は表１１の実施例データ中に示す通りかな
り小さく、この弊害はない。

【０１７６】投射サイズと投射距離は３０〜３００イン
チサイズ迄可能だが、４０〜１５０インチサイズ位が通
常の使用範囲であり、この範囲ではほぼ良好な収差状態
である。１００インチサイズ投射時の光路図と幾何光学
的収差図を図７、図８に示す。

【０１７７】（実施例４）上記した実施例１〜３はＲＧ
Ｂ３板方式とした、本例の光学系では簡素化した構成を
採用し、かつ、液晶表示素子を単板構成とした。図９と
図１０に側面図と平面図を示す。

【０１７８】図９および図１０において、光源１、透過
・散乱機能を持つ反射型のＬＣ／ＰＣ液晶表示素子を用
いた光変調手段８、焦点距離ｆ_C ＝１２０ｍｍのコリメ
ータレンズ７、焦点距離ｆ_P ＝６９．５ｍｍの投射レン
ズ（複数枚のレンズ構成）投射光学系１０を配置した。

【０１７９】光変調手段８の前後で光路が投射レンズに
よって偏心されるように光学系を設定した。ｆ_C とｆ_P
との合成焦点距離ｆ_G ＝６６．４ｍｍ、光変調手段の最
大有効径φ_MAX ＝５０．８ｍｍ、光源光は光変調手段８
で変調および反射され、照明光軸と中心光軸とは両者を
含む面内で交差角度γを有し、結像光軸と中心光軸とは
両者を含む面内で交差角度δを有し、第２の開口中心点
から表示素子の最大有効径を見込む角度α_MAX ＝２３．
９°、第２の開口を見込む角度β_MAx ＝１０°、γ＝１
０°、δ＝１０°、Ｆ_n ＝５．５とした投射型光学装置
を形成した。

【０１８０】上記の実施例１〜３と同様に明るく奇麗な
投射画像を達成できた。また、本例は構成する部品点数
が少なく、生産性がよく低価格な製品を製造することが
できた。また、各部品の組み立て・調整も容易であっ
た。

【０１８１】

【発明の効果】本発明によれば、超小型で軽量・薄型の
投射型光学装置、すなわち、パソコン画面を投射するデ
ータプロジェクター、および、一般ＴＶ放送を投射表示
できる実用性のある液晶プロジェクターを作成できた。
また、投射画像の品位も良好であり、高コントラストで
明るい画像を表示可能となった。

【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側面図。

【図２】本発明の光学系全体の基本的構成の平面図。

【図３】本発明の実施例１の投射レンズ系断面図。

【図４】本発明の実施例１の投射レンズ系の幾何光学的
収差図。

【図５】本発明の実施例２の投射レンズ系断面図。

【図６】本発明の実施例２の投射レンズ系の幾何光学的
収差図。

【図７】本発明の実施例３の投射レンズ系断面図。

【図８】本発明の実施例２の投射レンズ系の幾何光学的
収差図。

【図９】本発明の実施例４の側面図。

【図１０】本発明の実施例４の平面図。

【符号の説明】

１：光源 ２：集光反射鏡 ３：光源の均一化レンズ ４：第１の開口絞り ５、６：色分離合成用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：反射型液晶表示素子の反射面 １０：結像光学系の投射レンズ鏡筒 １１：結像光学系の開口絞り １２：反射鏡 １３：本発明のオフセットレンズ １４：光学系全体の筐体 γ：液晶表示面の光軸と照明光学系の光軸との傾角 δ：液晶表示面の光軸と結像光学系の光軸との傾角

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源、第１の開口、散乱機能を有する表示
   素子、反射機能層、コリメータレンズ、第２の開口、複
   数のレンズからなる投射レンズを含む投射光学系が備え
   られた投射光学装置であって、光源から出射した光束は
   第１の開口を通り、表示素子で変調され、反射機能層で
   反射され、第２の開口を通り、投射レンズの位置にほぼ
   結像せしめられ、第１の開口の中心から出射して表示素
   子に入射される光束の中心光軸を照明光軸とし、照明光
   軸と表示素子との交点における表示素子面の垂線を中心
   光軸とし、前記交点を通り第２の開口の中心を通る光軸
   を結像光軸とし、照明光軸と中心光軸とは両者を含む面
   内で交差角度γを有し、結像光軸と中心光軸とは両者を
   含む面内で交差角度δを有し、光路を偏心するように光
   源から投射光学系に至る光路の途中に偏心性結像機能が
   備えられ、表示素子から出射した光束はコリメータレン
   ズによって第２の開口に集束せしめられ、表示素子の最
   大有効径をφ_MAX 、第２の開口の略中心点から表示素子
   の最大有効径を見込む角度をα_MAX 、表示素子の出射中
   心点から投射レンズの射出瞳（表示素子側の第１の開口
   の像）を見込む角度をβ_MAX 、コリメータレンズの焦点
   距離をｆ_C 、投射レンズの焦点距離をｆ_P 、コリメータ
   レンズと投射レンズとの合成焦点距離をｆ_G、投射レン
   ズのＦナンバーをＦ_n とすると数１を満足することを特
   徴とする投射光学装置。 【数１】 (1a): ４５ｍｍ≦ｆ_C ≦２３０ｍｍ (1b): １５ｍｍ≦ｆ_P ≦１４４ｍｍ (1c): １. ８・φ_MAX ≦ｆ_C ≦３. ０・φ_MAX (1d): ０．９・ｆ_P ≦ｆ_G ≦１．１・ｆ_P (1e): ０. ６・φ_MAX ≦ｆ_P ≦２. １・φ_MAX (1f): １５°≦α_MAX ≦３０° (1g): ４°≦β_MAX ≦２０° (1h): Ｆ_n ≧２．８
2. 【請求項２】第２の開口から離れた位置にある前側（ス
   クリーン側）のレンズ群の焦点距離をｆ₁ 、第２の開口
   付近に位置する後側（表示素子側）のレンズ群の焦点距
   離をｆ₂ 、投射レンズの最終面とコリメータレンズの前
   面との中心光軸方向における間隔をＷとすると、さらに
   数２を満足することを特徴とする請求項１記載の投射光
   学装置。 【数２】 (1i): ４°≦δ≦１５° (1j): β≦２δ (1k): １. ５・φ_MAX ≦Ｗ≦ｆ_C (1m): １／ｆ₁ ＜０＜１／ｆ₂ (1n): ｜１／ｆ₁ ｜＜｜１／ｆ₂ ｜
3. 【請求項３】コリメーターレンズが一個の平凸レンズで
   構成され、かつ、その光軸が中心光軸とほぼ一致するよ
   うに配置され、かつ、コリメータレンズのｄ線に対する
   屈折率をＮ_C 、表示素子の基板材料のｄ線における屈折
   率をＮ_L とすると、１. ３９≦Ｎ_L ≦Ｎ_C ≦１. ６６の
   関係を満足することを特徴とする請求項１または２記載
   の投射光学装置。
4. 【請求項４】コリメーターレンズが一個の平凸レンズで
   構成され、かつ、その光軸が照明光軸とほぼ一致するよ
   うに配置され、かつ、コリメータレンズのｄ線に対する
   屈折率をＮ_C 、表示素子の基板材料のｄ線における屈折
   率をＮ_L とすると、１. ３９≦Ｎ_L ≦Ｎ_C ≦１. ６６の
   関係を満足することを特徴とする請求項１または２記載
   の投射光学装置。
5. 【請求項５】投射レンズのなかに投射像焦点位置調整を
   行う可動レンズ群が配置され、可動レンズ群は第２の開
   口の位置より、表示素子側に配置され、リアフォーカス
   型に設定された請求項１、２、３または４記載の投射光
   学装置。
6. 【請求項６】筐体の中に主たる構成要素が内蔵され、投
   射レンズの投射像焦点位置と投射倍率が固定され、その
   投射画像の画像面位置に、透過型スクリーンが置かれ、
   リアプロジェクション型の投射が行われる請求項１、
   ２、３または４記載の投射光学装置。
7. 【請求項７】表示素子が液晶／高分子複合体であること
   を請求項１〜６のいずれか１項記載の投射光学装置。