JPH11212022A

JPH11212022A - 映像投射装置

Info

Publication number: JPH11212022A
Application number: JP10016073A
Authority: JP
Inventors: Sunao Takeuchi; 直武内; Hiroshi Uchida; 宏内田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-08-06
Also published as: EP0933951A1; US6149276A

Abstract

(57)【要約】【課題】クロスダイクロイックプリズムを用いた映像
投射装置の場合に、最低１つの光路にはリレーレンズを
挿入して照明光路長の補正を行わねばならない。しかし
ながら、通常のリレーレンズでは照射レンズ内における
照射光の結像位置が通常光路と差異を生じる場合が多
い。その結像位置の差により映像表示装置上での輝度分
布に差が発生し、合成後のスクリーン投射映像におい
て、色の合成比率差による画面内の色の不均一が問題と
なる。【解決手段】リレーレンズ４のガラス材質と形状を変
更することにより、リレー光路の収差を増強させる。そ
のレンズ収差の強弱によって、計算上のリレー光路の焦
点距離１５ｂとは異なる位置１５ｃに意識的に照明光束
を集光させる。それにより、通常光路との集光位置の差
と、映像表示装置上での輝度分布の補正を行う。最終的
には、投射画面上での通常光路の映像と合成された時の
輝度差を解消し、輝度差から発生する画面上の色の不均
一性を修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像投射装置に関
し、特に、液晶パネル等を主たる構成要素とする映像表
示装置に後方より出射される光源からの照明を用いて前
面にその映像を投射する映像投射装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的なこの種の技術は、図１に示すよ
うに、反射鏡１２の第１焦点位置に配置された光源部９
より無指向性の光束が発射される。その光束を反射鏡１
２で反射することで、映像表示装置２（通常光路の映像
表示装置２ａ、２ｂ、リレー光路の映像表示装置２ｃ）
の方向へ投射する。その後、フライアイレンズ群( ８
ａ、８ｂ）、照明側レンズ６により映像表示装置側に細
分化されたフライアイレンズ８ａ、８ｂの像（光源部９
の発光部）を一点に集光させる。

【０００３】これにより映像表示装置２上に到達した照
明光束は投射画面枠内で高い輝度と、輝度の均一性を得
ることができる。この時、光源部９から発射される光束
は完全な無偏光成分であるために、映像表示装置２（２
ａ、２ｂ、２ｃ）（従来技術の場合液晶パネル）を透過
できない偏光成分は熱となり映像表示装置２を破損させ
る要因となる。そのために、偏光分離フィルタ７を配置
することにより、映像表示装置２に有害な偏光成分を事
前に分離させる方法が知られている。

【０００４】また、同様に偏光分離、位相変換、再合成
を行う偏光分離・合成部品を配置することにより、通常
用いられない偏光成分を利用する方法も存在する。

【０００５】上記の照明系部から発した照明光束を色分
離用のダイクロイックミラー（１１ａ、１１ｂ）にて
赤、緑、青、ＲＧＢの三原色成分に分離する。各色の光
束は各々の３枚の映像表示装置２（２ａ、２ｂ、２ｃ）
を透過、映像表示装置上の画像をクロスダイクロイック
プリズム１でフルカラー画像として合成する。画像合成
後に、照射レンズ３で前方スクリーン（図示せず）に投
影する。

【０００６】この時、クロスダイクロイックプリズム１
の４つの面の内、１面を投射レンズ３の入射面側に、残
り３面に映像表示装置２（２ａ、２ｂ、２ｃ）を配置す
ることで投射レンズ３と３枚の映像表示装置２（２ａ、
２ｂ、２ｃ）の焦点距離を一致させる。

【０００７】映像表示装置２（２ａ、２ｂ）はダイクロ
イックミラー１１ａに対し鏡像関係にあるために、照明
光の光路長は同じ距離となる（図１の参照符号１３）。

【０００８】一方、ダイクロイックミラー１１ｂを透過
した映像表示装置２ｃの照明光は、ダイクロイックプリ
ズム１の面配置の関係から、その映像表示装置が配置さ
れた位置まで光路長を映像表示装置（２ａ、２ｂ）より
も延長しなければならない。照明光束はフライアイレン
ズ（８ａ、８ｂ）と照明用レンズ６により映像表示装置
２（２ａ、２ｂ）の面にフライアイレンズの各小レンズ
の像が結像するように構成されている。そのために、延
長された映像表示装置２ｃの光路の場合には、光路延長
の分その照明光束の焦点位置が一致しなくなる。故に映
像表示装置２ｃの表示枠に対して照明光束の大きさが合
わなくなり、高い効率かつ均一な照明ができなくなる。

【０００９】その映像表示装置２ｃの延長光路中に光束
の中継用レンズとしてリレーレンズ群（４、５）を配置
する。このリレーレンズ４、５が照明光束を拡大再投影
することで、映像表示装置２ｃ全域の照射に必要な光束
幅に修正を行う。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】叙上のこの種の装置に
おける問題点は、通常の照明光路とリレーレンズを用い
たリレー光路との光学的な特性の違いである。

【００１１】その理由は、リレー光路と通常光路の画像
と合成した場合に生じる画面上の輝度分布の違いに起因
している。

【００１２】即ち、通常の映像表示装置（２ａ、２ｂ）
の場合には照明光束は、照明側のレンズ６によって、投
射レンズ３の入射瞳位置に集光するように設計されてい
る。しかるに、リレーレンズ４、５を加えた光路の場合
には、映像投射装置自体の大きさを小さくさせる必要性
から、リレー光路側の集光位置が投射レンズ３の入射瞳
位置に合わない場合が多い。また、リレーレンズ自体が
持つ収差により、投射レンズ３内の集光の傾向が通常光
路の集光傾向と異なる場合がある。

【００１３】そのために、映像表示装置２ｃのみ、投射
時の画面輝度の均一性が変化し、リレー光路と通常光路
の画像合成後の投射画面に問題が発生する。

【００１４】図９に示すように、通常光路の映像表示装
置上においてはほぼ全域に高い輝度が分布している。

【００１５】しかしながら、図１０に示す従来の例にお
けるリレー光路側の映像表示装置上の輝度分布は上記の
収差、及びリレー光路長と投射レンズ内の結像位置の差
によって、画面中央部の輝度は周辺部よりも低くなる分
布が示されている。

【００１６】従って、このままの画像を合成投射した場
合には、スクリーン上では色別の輝度分布差が発生し、
Ｒ、Ｇ、Ｂ３色の合成バランスが崩れ、画面内の色合成
において色の均一性が損なわれる問題が生じる。

【００１７】また、リレーレンズの焦点距離を短くする
ことで、光束の集光位置を入射瞳方向に寄せることは可
能であるが、レンズの焦点距離を短くした場合には、リ
レー光路用映像表示装置の照射倍率が変わってしまい、
映像表示装置画面上での照射範囲が過大、または不足と
なり、映像表示装置自体の照射輝度及び均一性が不足す
る問題にもなる。

【００１８】上記課題を解決するための第１の従来技術
として、特開平７−１９９１８１号公報に開示された投
射型表示装置が提案されていた。

【００１９】この第１の従来例は、電極間距離を２．５
〜３．５ｍｍと短くして小型化したメタルハライドラン
プを使用しているので、装置の小型化を達成でき、明る
い画面を得ることができ、また、液晶パネルとして２イ
ンチ以下のもの、あるいはその面積が約１２４０平方ｍ
ｍ以下のものを使用しているので、パネル上での集光率
の低下を防止することが可能となり、よつて、スクリー
ン上において充分な明るさの投写画像を得ることができ
るが、しかしながら、メタルハライドランプの所望とす
る電極間距離を得るための加工技術に困難性があること
と、表示画面上の均一な輝度特性を得るのが容易でない
欠点があった。

【００２０】また、上記した第１の従来例とほぼ同様の
目的を有する第２の従来技術として、特開平９−１１３
９９４号公報に開示された液晶プロジェクタが提案され
ている。

【００２１】この第２の従来例は、光源からの光を反射
して平行光とする放物面鏡と、該放物面鏡からの平行光
を入射する複数の凸レンズを有する第１凸レンズ群と第
２凸レンズ群とからなるインテグレータレンズと、該イ
ンテグレータレンズを通過した光を３原色光に分離する
光分離手段と、該光分離手段により分離された各原色光
を光変調する第１、第２、及び第３液晶パネルと、該第
１、第２、第３液晶パネルにて光変調された光を合成す
るダイクロイックプリズムと、該ダイクロイックプリズ
ムにて合成された合成光を投射する投射レンズとから構
成され、前記インテグレータレンズから前記各液晶パネ
ルまでの光路長を等しくすることを特徴としたものであ
るが、インテグレータレンズから各液晶パネルまでの光
路長を等しくする構造的な配置技術の設計自由度が制限
され、満足すべき結果が得られないこと及びやはり上記
従来例１と同様に表示画面上の満足すべき均一な輝度特
性が得られない欠点があった。

【００２２】本発明は従来の上記実情に鑑み、従来の技
術に内在する上記諸欠点を解消するためになされたもの
であり、従って本発明の目的は、投射映像画面の輝度の
均一性を向上させ、各色の輝度差から発生する色合成時
の色バランスの均一性を高めることを可能とした新規な
映像投射装置を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】叙上の上記目的を達成す
る為に、本発明に係る映像投射装置は、投射レンズ、色
分離用ダイクロイックミラー（もしくはプリズム）、偏
光分離・位相変換・再合成素子、映像表示装置、光源ラ
ンプ、反射鏡、クロスダイクロイックプリズム、照明光
束中継用リレーレンズから構成されている。

【００２４】その中でも、屈折率約１．５〜１．６５の
低屈折率材料、及び焦点距離を約４０〜６０ｍｍ、前後
面の曲率半径の比が約１：２〜１：３になる両凸形態を
採ることで光軸外の収差を増強した第１のリレーレンズ
が用いられ、その収差によって照明光束の実質的な集光
位置を計算上の焦点位置から移動させている（図３）。

【００２５】

【作用】本発明に係る手段の特徴は、リレーレンズの形
状等から発生するリレーレンズの収差を意識的に増強す
る。

【００２６】収差が大きくなると、一般の焦点距離より
も光軸上でその前後にスライドした位置に多くの光束が
集光する。

【００２７】本発明はそのような特性を利用し、上記リ
レー光路における投射レンズ内の集光位置のずれ（入射
瞳位置に集光しない）から発生する輝度分布の不均一性
を補正する。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に、本発明をその好ましい一実
施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２９】図１は、本発明が適用される映像投射装置
の概略構成図であり、図３は本発明による一実施の形態
を示す概略構成図である。図３は本発明の主要部である
リレー光路の映像表示装置の部分のみを示し、通常光路
の映像表示装置の部分は省略されており、省略部分は図
１を参照する。

【００３０】図１、図３を参照するに、本発明の実施の
形態は、図１に示された従来技術と同じく、光源部９よ
り発した光束を反射鏡１２に反射させることで、前方に
投射させる。

【００３１】その後、フライアイレンズ群（８ａ、８
ｂ）、照明側レンズ６を用いて光源部９より発出された
光束に基づき映像表示装置側にフライアイレンズの像
（光源部９の発光部）を結像させる。

【００３２】Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光束は、各々の３枚の
映像表示装置（通常光路の映像表示装置２ａ、２ｂ、リ
レー光路の映像表示装置２ｃ）を透過、映像表示装置上
の画像をクロスダイクロイックプリズム１でフルカラー
画像として合成する。

【００３３】画像合成後に、投射レンズ３で前方スクリ
ーン（図示せず）に投影する。

【００３４】その時、リレー光路に配置されたリレーレ
ンズ（４、５）により通常光路とリレー光路の光路長の
差が補正される。

【００３５】そのリレーレンズの形状、材質を変えるこ
とでリレーレンズの収差が増強されると共に、方向がコ
ントロールされ、投射レンズ３内での集光位置が調節さ
れる。

【００３６】上記調整により、リレー光路における映像
表示装置２ｃ上での輝度分布をコントロール、通常光路
側の映像表示装置２ａ、２ｂとの輝度分布差を補正する
ことが可能になる。

【００３７】

【実施例】次に、本発明をその好ましい各実施例につい
て表及び図面を参照しながら具体的に説明する。

【００３８】［実施例の構成］表１は本発明による実施
例１の光学部品の構成を示す一覧表である。

【００３９】［表１］

【００４０】

【００４１】＊１：回転楕円面反射鏡第１焦点距離＝１２ｍｍ、第２焦点距離＝６５０ｍｍ（端面からの距離を示す（図４参照））＊２：フライアイレンズＡセル分割：縦１０個、横８個曲率半径：セル全数Ｒ２１ｍｍ（図５（ａ）、（ｂ）参
照）＊３：フライアイレンズＢセル分割：縦１０個、横８個曲率半径：セル全数Ｒ２１ｍｍ（フライアイレンズＡと
同じ）図２は本発明による実施例１における第１のリレーレン
ズとその周辺部の光学図である。

【００４２】表１において、本発明の実施例１ではリレ
ーレンズ（Ａ）４の構成材料として、屈折率１．５２の
低屈折率ガラス材料（ＢＫ７）が使用されている。この
低屈折率材料は屈折率が約１．５〜１．６５の範囲内の
ものが使用可能である。

【００４３】またリレーレンズ（Ａ）４の焦点距離は約
４０〜６０ｍｍの範囲内のものが使用され、レンズの焦
点距離ｆとレンズの両面の曲率半径Ｒ１、Ｒ２及びレン
ズの材質Ｎの間には次の関係式が成立している。

【００４４】１／ｆ＝｛（１／Ｒ１）−（１／Ｒ２）｝×（Ｎ−１）前後面の曲率半径Ｒは図２に示される如く、左側の光源
側の曲率半径Ｒは３７ｍｍ、右側のリレーレンズ（Ｂ）
５側の曲率半径Ｒが−７７ｍｍに設定されている。換言
すれば、第１のリレーレンズ（Ａ）４は、前後面の曲率
半径の比が約１：２〜１：３になる両凸形態が採られて
いる。

【００４５】リレーレンズ（Ａ）４の次面距離、即ち、
レンズ４の面間距離（レンズの頂点（光軸を中心とした
回転中心部）の間の距離）は１５ｍｍ、リレーレンズ
（Ｂ）５との間の次面距離は５２．９ｍｍに設定されて
いる。

【００４６】一方、第２のレンズ（Ｂ）５は、面間距離
９．２ｍｍ、次面距離５５．３ｍｍ、曲率半径４４、−
４４、材質Ｆ２の通常による従来例のレンズが使用され
ている。

【００４７】反射鏡１２として、回転楕円面反射鏡の代
わりに、装置に使用される光学素子の特性に応じて、回
転放物面鏡を使用することもできる。

【００４８】［実施例の動作］光源部（光源ランプ）９
より発出された発散光束を反射鏡１２にて反射させるこ
とで、一定の指向性を持った光束として前方に反射させ
る。その後、フライアイレンズ（Ａ）８ａで光源の像を
フライアイレンズ（Ｂ）８ｂの面に結像させる。

【００４９】フライアイレンズ（Ｂ）８ｂと照明用レン
ズ６（集光用レンズ）を介することでフライアイレンズ
（Ａ）８ａの像を映像表示装置面２（２ａ、２ｂ、２
ｃ）に結像させる。

【００５０】但し本実施例１の場合には、リレー光路で
あるために、映像表示装置２ｃに該当する位置にリレー
レンズ（Ａ）４を配置し、リレーレンズ（Ａ）４に映っ
た光源の像をリレーレンズ（Ｂ）５を用いてリレー光路
用の映像表示装置２ｃに投影し照明を維持させる。この
時、リレーレンズ（Ａ）４の材質を低屈折率ガラス（屈
折率１．５２）にすることでリレー光路の球面収差を増
強、計算上のリレー光路の焦点距離よりも光源側の位置
により多くの照明光を集光をさせ、投射レンズ３の入射
瞳位置近くに照明光を集める（図３参照）。

【００５１】図７は本発明における照明光束の収差図
（投射レンズ内の結像）であり、そのうち（ａ）は横収
差図、（ｂ）は球面（縦）収差図である。

【００５２】図７（ａ）、（ｂ）を参照するに、図７
（ａ）、（ｂ）と同様の収差図である図８（ａ）、
（ｂ）と比較した場合に、図７（ａ）、（ｂ）が図８
（ａ）、（ｂ）よりも収差が強調され、集光位置が光源
部９に近ずいている。

【００５３】収差図は、基本的に焦点上での光線の集光
状態を示すものであり、図１１（ａ）、（ｂ）、図１２
（ａ）、（ｂ）の機能説明図に示されているように、縦
（球面）収差図は光軸上の光束が光軸からどの高さの光
がどの位置に集まるかを示している。

【００５４】本実施例１の場合には、収差を強調したた
めに、光軸から高い位置の光束は光軸付近の光線よりも
光源側９（図３参照）に近い位置に集光する特徴が現れ
ている。これが本発明の特徴であり、本発明の効果に当
たる部分である。

【００５５】横収差でも同じことを表現することがで
き、光軸部分に集光する以外の光（端部に結像する光）
でも光源側９に集まる傾向を示している。

【００５６】表２は本発明による実施例２の光学部品の
構成を示す一覧表である。

【００５７】［表２］

【００５８】

【００５９】＊１：回転楕円面反射鏡第１焦点距離＝１２ｍｍ、第２焦点距離＝６５０ｍｍ（端面からの距離を示す（図４参照））＊２：フライアイレンズＡセル分割：縦１０個、横８個曲率半径：セル全数Ｒ２１ｍｍ（図５（ａ）、（ｂ）参
照）＊３：フライアイレンズＢセル分割：縦１０個、横８個曲率半径：セル全数Ｒ２１ｍｍ（フライアイレンズＡと
同じ）本発明の実施例２においては、第１のリレーレンズ
（Ａ）４の第２のリレーレンズ（Ｂ）５側の曲率半径が
−６７ｍｍに変更されているだけであり、その他は上記
実施例１と同様である。

【００６０】

【発明の効果】本発明は以上の如く構成され、作用する
ものであり、本発明によれば、映像表示装置の輝度分布
が均一になり、本発明に係るリレー光路による映像表示
装置の画像と他の光路（通常光路等）における映像表示
装置の画像と合成した場合に、輝度差から生じる色のむ
らを解消することが可能になる。

【００６１】その理由は、２つのリレーレンズ（Ａ）
４、（Ｂ）５の形状、材質からくる結像位置での収差が
大きくなったことが理由である。

【００６２】従来例（図１０）にあるリレーレンズＡの
焦点距離は実施例１と同じである。但し、材質がＦ２
（屈折率ｎｄ＝１．６２）と実施例のＢＫ７（屈折率ｎ
ｄ＝１．５１６）よりも高い材質を採用している。

【００６３】焦点距離が同じで屈折率が異なる場合に
は、そのレンズの形状は屈折率の低い方が、曲率半径が
小さくなる。その結果、光軸付近の光線の結像位置は両
者に差は無いが、光軸から離れた光束ほど、その結像位
置は曲率半径の小さい方が球面収差により大きく変化を
する。

【００６４】また、リレーレンズの焦点距離自体は変化
は無いことから、リレー光路用映像表示装置上での照射
範囲は変化がない。

【００６５】本実施例の場合には、屈折率の低いガラス
を用いて球面収差を意識的に強くさせ、集光位置を光源
側に近づける方法が採られている。それにより軸外の光
束はより映像表示装置側に集光する（図７、図８の収差
図参照）。

【００６６】本実施例の集光状態を示す図３を参照する
と、本実施例の方が球面収差が大きいために、より多く
の光束が画像表示装置の中央付近を透過照明することに
なる。

【００６７】図６に示すように、本実施例の映像表示装
置上での輝度分布は、通常光路とほぼ同様の均一性を得
ることが可能になる。

【００６８】従来例の場合では収差が小さいために中央
の集光の量が低く、図１０のように画面中央の輝度分布
が低くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される映像投射装置の概略構成図
である。

【図２】本発明が適用される主要部の第１のリレーレン
ズの構成及びその周辺の光学系を示す概略構成図であ
る。

【図３】本発明の効果を説明するための光学系の概略図
である。

【図４】本発明に使用される回転楕円放物面鏡の概略図
である。

【図５】本発明に使用されるフライアイレンズの形状を
示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図で
ある。

【図６】本発明における映像表示装置上の輝度分布を示
す図である。

【図７】本発明における照明光束の収差図（投射レンズ
内の結像）であり、（ａ）は横収差図、（ｂ）は球面
（縦）収差図である。

【図８】従来例における照明光束の収差図（投射レンズ
内の結像）であり、（ａ）は横収差図、（ｂ）は球面
（縦）収差図である。

【図９】通常光路における映像表示装置上の輝度分布を
示す図である。

【図１０】従来例における映像表示装置上の輝度分布を
示す図である。

【図１１】本発明による横収差の作用を説明する図であ
り、（ａ）は収差図、（ｂ）は光学図である。

【図１２】本発明による縦（球面）収差の作用を説明す
る図であり、（ａ）は収差図、（ｂ）は光学図である。

【符号の説明】

１…クロスダイクロイックプリズム２ａ、２ｂ…通常光路の映像表示装置２ｃ…リレー光路の映像表示装置３…投射レンズ４…リレーレンズＡ５…リレーレンズＢ６…照明用レンズ７…偏光分離フィルタ、または偏光分離・変換・再合成
部品８ａ…フライアイレンズＡ８ｂ…フライアイレンズＢ９…光源ランプ１０…全反射ミラー１１ａ、１１ｂ…色分離用ダイクロイックミラー１２…光源用反射鏡１３…通常光路上の照明光束経路１４…リレー光路上の照明光束経路１５ａ…投射レンズ入射瞳（通常光路の集光位置）１５ｂ…計算上のリレー光路の集光位置１５ｃ…本発明によるリレー光路の集光位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投射レンズ、色分離用ダイクロイックミ
ラー（もしくはプリズム）、偏光分離・位相変換・再合
成素子、映像表示装置、光源ランプ、反射鏡、クロスダ
イクロイックプリズム、照明光束中継用第１及び第２の
リレーレンズから構成されている映像投射装置におい
て、前記第１のリレーレンズは、低屈折率材料により構
成され、焦点距離が約４０〜６０ｍｍ、前後面の曲率半
径の比が約１：２〜１：３になる両凸形態が採られるこ
とで光軸外の収差が増強され、その収差によって照明光
束の実際の集光位置を計算上の焦点距離から移動させる
ことを特徴とした映像投射装置。
【請求項２】前記低屈折率材料の屈折率は約１．５〜
１．６５であることを更に特徴とする請求項１に記載の
映像投射装置。
【請求項３】前記反射鏡として、回転楕円面反射鏡を
用いたことを更に特徴とする請求項１または２のいずれ
か一項に記載の映像投射装置。
【請求項４】前記反射鏡として、回転放物面鏡を用い
たことを更に特徴とする請求項１または２のいずれか一
項に記載の映像投射装置。