JPH11311753A - 液晶プロジェクタの光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低価格な投射レンズを使用することができ、か
つ色むらを軽減して画像品位を向上する。 【解決手段】Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各セルの
集合を１画素とし、画素毎にマイクロレンズが設けられ
た液晶パネル１８に対し、照明光を、任意変位角に設定
された複数のダイクロイックミラー１６Ｒ，１６Ｇ，１
６Ｂを通すことにより各色偏差を有する照明光とし、こ
の照明光を各セルの開口部付近に分離集光させる単板式
マイクロレンズカラーセパレーション方式プロジェクタ
に於いて、前記液晶パネル１８の端よりみた投射レンズ
２０の瞳偏差に応じて、前記マイクロレンズの液晶セル
に対する任意ピッチ偏差を設定しこれに応じた照明手段
を設けるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は光源ランプと液晶
ライトバルブを用いた、液晶プロジェクタ、液晶プロジ
ェクションテレビの光学装置、特に角度変位を有する光
三原色照明とマイクロレンズを用いたマイクロレンズカ
ラーセパレーション方式液晶プロジェクタの光学系に有
効な液晶プロジェクタの光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば特許第２６２２１８５号公報等で
述べられる、角度変位を有する光三原色照明とマイクロ
レンズを用いたマイクロレンズカラーセパレーション方
式液晶プロジェクタは、単板方式であり、且つマイクロ
レンズによる実効開口率向上と、ダイクロイックミラー
による色分離効率より、安価で高効率なプロジェクタシ
ステムとして期待される。しかしながらこの光学方式
は、原理的にテレセン性（光線が光軸と平行な状態）を
維持することが重要であるとともに、かなり厳しい照明
角制限が要求される。

【０００３】このため照明系構築が難しく、照明系にて
光利用効率を失うか、または多大な光路長が必要とな
り、この不具合を少しでも軽減するため、投射レンズは
コストと性能が許せる限り広開口を用いる。

【０００４】ここで問題化するのが投射レンズの液晶周
辺でのふるまいである。図１０に示すように、ある大き
さを持つ液晶パネル１から出射する光学像を有限長レン
ズ２でスクリーン３に投影しようとすれば、当然ながら
その周辺部に於いて投射レンズ２の有効発散角は小さく
なるとともに、光軸に対しアンバランスな有効角を有す
る。

【０００５】この場合、主に投射レンズ２の外形状が支
配的となり、出射光は、液晶パネル１の周辺部へゆくに
従って光軸側の有効透過発散角は大きくなり、光軸と反
対側の有効角は狭くなる。これに対し、マイクロレンズ
カラーセパレーション方式の液晶透過光の発散角は、Ｒ
ＧＢ毎に偏差を有しており、且つ液晶周辺に於いてもほ
ぼ一定の透過発散角を有している。従って図１１に示す
ように、水平端、対角端へ行くに従いＲＧＢの透過率比
が崩れ、結果としてスクリーン上で色むらが発生する原
因の一つとなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、マイ
クロレンズカラーセパレーション方式の投影系は、非常
に高コストな投射レンズ周辺光量損失の殆どないものを
設計・使用する必要があり、コストダウン寄与の大きい
フレーネルレンズの使用も許容されなかった。

【０００７】結果として高効率・高品位なマイクロレン
ズカラーセパレーション方式のプロジェクタ光学系は、
低コスト化が難しく、効率または品位のトレードオフに
て設計・構築する不具合があった。

【０００８】そこでこの発明は、低価格な投射レンズを
使用することができ、かつ色むらを軽減して画像品位を
向上することができる液晶プロジェクタの投影装置を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するために、投影系の周辺有効角に対し、液晶のマ
イクロレンズピッチを液晶画素に対し任意比率で大きく
し、これに応じて照明光学系は液晶の周辺位置に従って
集光照明するようにし、右上対角および水平端の液晶透
過光発散角を光軸側に寄せ、色むらを軽減するものであ
る。

【００１０】また、システムの周辺光量比が許容されれ
ば、有効発散角のアンバランスと、フレーネルレンズの
アンバランスとで、画素周辺２色の効率比を等しくなる
ように、投影系をトータルで設計し、スクリーン面での
色むらを許容レベルに押さえるものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、光学系にこの発明が適用
されたマイクロレンズカラーセパレーション方式液晶プ
ロジェクタを示している。

【００１２】１１はメタルハライドランプあるいは高圧
水銀ランプによる光源であり、楕円リフレクタ１２の第
１焦点に配置されている。この楕円リフレクタ１２で集
光反射された光は、絞り１４の開口で拡散光となり、コ
リメータレンズ１５に入射している。コリメータレンズ
１５は、拡散光を平行光に変換している。

【００１３】コリメータレンズ１５により出射された光
は、光軸に対して傾斜して３枚がほぼ重なるように配置
されたダイクロイックミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇに
入射される。

【００１４】ここでダイクロイックミラー１６Ｒは、赤
の波長帯域の光を９０度方向へ反射し、ダイクロイック
ミラー１６Ｂは、青の波長帯域の光を９０度よりも鈍角
な方向に反射し、ダイクロイックミラー１６Ｇは、緑の
波長帯域の光を９０度よりも鋭角な方向に反射する。ダ
イクロイックミラー１６Ｒ，１６Ｂ，１６Ｇから反射さ
れた光はいずれも偏板板１７を通して、本装置の特徴と
なるマイクロレンズを有した液晶パネル１８に照射され
る。液晶パネル１８は、図示しない液晶ドライブ回路か
ら供給される映像信号に応じて、各Ｒ，Ｇ，Ｂのセルの
光透過量が制御されている。

【００１５】液晶パネル１８から出射された光空間変調
像、つまりカラー光学像は、検光子１９を介して投射レ
ンズ２０に入射される。投射レンズ２０は、入射したカ
ラー光学像を拡大してスクリーンに投射する。背面投射
あるいは前面投射のいずれのタイプでもよい。

【００１６】本装置では、投射レンズ２０の液晶周辺部
から出射される光の有効発散角編心は、光軸側に編心が
発生しているものとし、ダイクロイックミラーによる分
光配列は最も一般的な、赤を中央に配し、その前に青、
最後に緑としている。これはダイクロイックミラーの製
造性とランプスペクトル、分光光利用効率に起因した配
列である。

【００１７】図２は、図１の点線円形で囲む部分を一部
拡大して示している。図２に示すように、このプロジェ
クタ装置は、マイクロレンズカラーセパレーション方式
であり、液晶パネル１８は、液晶表示素子１８ａの前面
にマイクロレンズ１８ｂが配置されている。このマイク
ロレンズ１８ｂの各レンズ部は、液晶表示素子１８ａの
各信号電極に対応するもので、マイクロレンズ１８ｂの
１つのレンズ部が表示素子の３（Ｇ，Ｒ，Ｂ）つの開口
部（１カラー画素分の開口部）に対応する如く配置され
ている。

【００１８】図２において、各開口部Ｒ，Ｇ，Ｂに入射
する光１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂはそれぞれ、ダイクロイ
ックミラー１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂから出射されたもの
である。光１８Ｒは、直進してくるので、マイクロレン
ズ部の真下の開口（赤用）に入射する。しかし、他の光
１８Ｇ，１８Ｂはそれぞれマイクロレンズ部に対して角
度を持って入射するために、集光する位置が赤用の開口
からずれている開口、つまり各Ｇ，Ｂ用の開口に入射す
る。

【００１９】これにより、液晶パネル１８から出射され
る光学像は、カラー光学像として出力されることにな
る。図２は、理想的な原理を説明したが、実際には、上
述したようにある大きさを持つ光源と液晶パネルから出
射する光学像を有限長レンズでスクリーンに投影しよう
とすれば、当然ながらその周辺部に於いて投射レンズの
有効発散角は小さくなるとともに、光軸に対しアンバラ
ンスな有効角を有する。

【００２０】この結果、投射レンズは、液晶周辺部へゆ
くに従って光軸方向の有効透過発散角は大きくなり、光
軸と反対方向の有効角は狭くなる。ここで、マイクロレ
ンズカラーセパレーション方式の液晶透過光の発散角
が、液晶周辺に於いてもほぼ一定の透過発散角を有して
いると、水平端、対角端へ行くに従いＲＧＢの透過率比
が崩れ、結果としてスクリーン上で色むらが発生するこ
とになる。

【００２１】そこでこの発明は、上記の不具合を改善す
るために次にような対策をマイクロレンズを有する液晶
パネル１８に施している。即ち、投影系の周辺有効角に
対し、液晶のマイクロレンズピッチを液晶画素に対し任
意比率で大きくし、これに応じて照明光学系は液晶の周
辺位置に従って集光照明するようにし、右上対角および
水平端の液晶透過光発散角を光軸側に寄せ、色むらを軽
減するものである。

【００２２】具体的には、図３に示すように、液晶パネ
ル１８の液晶表示素子１８a の均一な画素ピッチに対
し、マイクロレンズ１８b のピッチを僅かに拡大させた
構成とするものである。図では液晶パネル１８の中央部
と任意対角端でのマイクロレンズとセルの関係を表して
いる。

【００２３】液晶パネル１８の表示範囲中央では、液晶
セルとマイクロレンズ１８b は完全に一致しており、分
光波長による収差等を無視すれば、Ｒは液晶パネル１８
の放線方向より照明され、Ｇ、Ｂは対向基板厚Ｌと液晶
セルのピッチより決定するθの変位角でＧ、Ｂともに等
しい角度が設定される。

【００２４】ところが周辺部ではマイクロレンズ１８ｂ
のピッチが拡大しているから、液晶セルの画素中央に対
しマイクロレンズ重心はやや光軸と反対側に編心してい
る。このため、液晶パネル１８の実効開口率が最も高く
なる照明光はやや光軸寄りの集光光が最も適切となるよ
う変化している。

【００２５】このとき、各色照明光の有効発散範囲は、
本発明に於ける設定ピッチ範囲において殆ど変化してお
らず、全体的に光軸方向に角度シフトしたに過ぎない。
また各色の液晶透過光範囲も同様に光軸方向へシフトし
たのみに留まるため、液晶透過光は全体的にやはり光軸
方向へ集光した状況となっている。

【００２６】従って、図１に示すように、コリメータレ
ンズ１５を任意距離投影側へ移動させ、周辺カーブをや
や急峻に変化させ、照明効率は変化させずに液晶パネル
１８の外周部に対しては集光光とすれば、液晶パネル１
８の実効開口率は劣化しないまま、投射レンズの瞳重心
方向へ透過光が任意量シフトする。

【００２７】このような構成をとった場合の液晶透過光
は、当然ながら主光線が何れも光軸側へ移動するため、
図４に示すように投射レンズ開口よりみたＧ、Ｂの投射
レンズ透過効率アンバランスは解消されることは明白で
ある。

【００２８】この発明は上記の実施の形態に限定される
ものではない。図５に示すように、光学照明手段として
はフライアイレンズ２１を用いてより均一照明が可能な
高品位照明系にて実現されてもよい。ここでフライアイ
レンズアレイ２１の分割部のアスペクト比を任意に変化
させ、コリメータレンズ１５付近の任意位置にシリンダ
ーレンズ２２を追加することで、液晶周辺部の水平と垂
直の集光度合いは独立に設定することも可能であり、シ
リンダーレンズ２２とコリメータレンズ１５は一体化が
可能であるため、コストアップ要因は殆どない。

【００２９】フライアイレンズ部１４は、第１、第２の
フライアイレンズで構成され、楕円リフレクタ１２より
発する光を任意複数に分割し、それぞれの分割部に入力
された光を液晶パネル１８の全体を照射するように出射
する。フライアイレンズ部１４のフライアイレンズは、
例えば水平垂直方向に４つの凸レンズを対向させた形で
構成されている。光学的補正レンズ１３は、楕円リフレ
クタ１２からの出射光をフライアイレンズ部１４に集光
している。なお、先の実施の形態と同一部分には同一符
号を付している。

【００３０】図６には更にこの発明の他の実施の形態を
示している。この実施の形態は、画面中央部に投射レン
ズ開口を合わせた投影光学系の概要図であり、投射レン
ズとしては簡単のためレンズ１枚構成の投射レンズ２０
Ａとして示す。

【００３１】本実施の形態は、先の実施の形態のような
液晶側の仕様変更なしに液晶周辺での色バランス補正を
行う施例である。図６の液晶パネル４１と投射レンズ２
０Ａのみでは、液晶周辺部において光軸側の有効角が拡
大し、対角隅側の有効角は狭くなる。ここにフレーネル
フィールドレンズ４２を追加した投影光学系とし、図中
点線内拡大にて示すようにフレーネル非有効部である抜
き勾配４３に任意角度を持たせることで、光軸平行面に
対し、Ｂに関する光には、抜き勾配４３の拡大に対し、
一旦効率改善した後、効率劣化方向へ、Ｒ、Ｂに関する
光には効率劣化方向へと効率変化が生じる。 従って、
液晶周辺部に於ける各色投射レンズ効率特性をηＴR,
ηＴG, ηＴB とすれば、特にアンバランスが発生しや
すいＧとＢに着目し、ηＴB ×（１−ηＦB ）＝ηＴG
×（１−ηＦG ）なる関係に最も近くなるフィールドフ
レーネルレンズ４３のＢＧ透過効率ηＦB ，ηＦG が得
られる抜き勾配角をフレーネルレンズ４３に施すこと
で、投射レンズ周辺開口変化による色バランス拡大不具
合を改善することが可能である。

【００３２】図７は更に別の実施の形態である。図６の
実施形態と同様な部分には同一符号を付している。この
装置では、はじめからＲＧＢ変位角と液晶パネル４１と
そのマイクロレンズ仕様、フレーネルレンズ４２の設計
角と抜き勾配４３の限界角およびエッジのつぶれ量が定
量化されていれば、以上の情報よりあらゆる点で色バラ
ンスくずれが改善するべく、投射レンズ２０Ａとフィー
ルドフレーネルレンズ４２の設計を行う手法である。フ
ィールドフレーネルレンズ４２の抜き勾配４３は、バラ
ンスよりはむしろ透過効率優先設計とし、フレーネル角
と投射レンズＮＡ変化にてバランス設計を行っている図
６の装置に対し、アンバランスを２現象の積で補正する
ため、それぞれの光学部品の負担は軽減され設計しやす
さが改善されるとともに、特に周辺光量に対してより有
効である。

【００３３】上記したように、単板式マイクロレンズカ
ラーセパレーション方式プロジェクタに於いて、コスト
を考慮したために十分ではない開口および周辺光量比の
投射レンズを用いても、部品増加即ちコスト犠牲を払う
ことなく、画面周辺に発生するホワイトバランス劣化を
無くすまたは軽減することが可能である。

【００３４】図８は本発明の具体的効果の例として示し
ている。Ｒを中心照明としたマイクロレンズカラーセパ
レーション方式液晶プロジェクタ光学系にて、本発明適
用前後のスクリーン位置での水平左右と対角位置でのノ
ーマリーホワイト色度座標状態変化を示している。

【００３５】水平端から対角にて発生していた画面左右
のＧＢアンバランスによる色むらが軽減され、画面品位
が向上していることが確認される。本発明適用課程に於
いて、抜本解決策である投射レンズ開口の大幅改善がな
されていないことは、赤方向のアンバランス量に変化が
ないことより明白であり、即ちコスト上昇は殆どないこ
との証明でもある。

【００３６】ここで、図９を参照して、通常のフレーネ
ルフィールドレンズの特性を説明しておくことにする。
コスト削減のために拡大レンズとして、通常のフレーネ
ルフィールドレンズを用いると、マイクロレンズカラー
セパレーション方式では、ＲＧＢ毎に主光線角が異なる
ために、フィレーネルフィールドレンズの勾配角と、主
光線変位角によるフレーネル透過効率のＲＧＢ間で不揃
いが生じる。これもスクリーン上の色むらの発生要因と
なる。

【００３７】そこで先に述べたように、液晶パネルの端
よりみた投射レンズの瞳偏差に応じて、前記液晶パネル
の近傍に配されたフレーネルフィールドレンズの抜き勾
配角を変化させることで色むらを低減できるようにな
る。又は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各セルの集
合を１画素とし、画素毎にマイクロレンズが設けられた
液晶パネルに対し、照明光を、任意変位角に設定された
複数のダイクロイックミラーを通すことにより各色偏差
を有する照明光とし、この照明光を各セルの開口部付近
に分離集光させる単板式マイクロレンズカラーセパレー
ション方式プロジェクタに於いて、前記画素の両端２色
の液晶透過光が、前記液晶パネルの任意対角端位置より
見た投射レンズの瞳形状偏差による透過率比と、前記液
晶パネルの近傍に配されたフィールドフレーネルレンズ
の非有効面損失比とで等しくなるように補正することで
色むらを低減できるものである。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、低価格な投射レンズを使用することができ、かつ色
むらを軽減して画像品位を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す図。

【図２】図１の一部を拡大して示す図。

【図３】この発明の要部を説明するために図１の一部を
拡大して示す説明図。

【図４】この発明の効果を説明するために示した図。

【図５】この発明の他の実施の形態を示す図。

【図６】この発明のさらに他の実施の形態を示す図。

【図７】この発明のまた他の実施の形態を示す図。

【図８】この発明の効果を説明するために示した図。

【図９】通常のフレーネルフィールドレンズの特性を説
明するために示した図。

【図１０】投射レンズ瞳形状と液晶透過発散角の説明
図。

【図１１】スクリーン上における投射レンズ瞳形状と液
晶透過発散角の説明図。

【符号の説明】

１１…光源、１２…楕円リフレクタ、１４…絞り、１５
…コリメータレンズ、１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ…ダイク
ロイックミラー、１８…液晶パネル、２０…投射レン
ズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｃ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各セル
   の集合を１画素とし、画素毎にマイクロレンズが設けら
   れた液晶ライトバルブに対し、照明光を、任意変位角に
   設定された複数のダイクロイックミラーを通すことによ
   り各色偏差を有する照明光とし、この照明光を各セルの
   開口部付近に分離集光させる単板式マイクロレンズカラ
   ーセパレーション方式プロジェクタに於いて、 前記液晶ライトバルブの端よりみた投射レンズの瞳偏差
   に応じて、前記マイクロレンズの液晶セルに対する任意
   ピッチ偏差を設定しこれに応じた照明手段を具備するこ
   とを特徴とする液晶プロジェクタの光学装置。
2. 【請求項２】 前記単板式マイクロレンズカラーセパレ
   ーション方式の任意ピッチ偏差は水平／垂直独立に設定
   されており、照明手段もこれに応じたシリンダーレンズ
   形状を具備することを特徴とする請求項１記載の液晶プ
   ロジェクタの光学装置。
3. 【請求項３】 Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各セル
   の集合を１画素とし、画素毎にマイクロレンズが設けら
   れた液晶ライトバルブに対し、照明光を、任意変位角に
   設定された複数のダイクロイックミラーを通すことによ
   り各色偏差を有する照明光とし、この照明光を各セルの
   開口部付近に分離集光させる単板式マイクロレンズカラ
   ーセパレーション方式プロジェクタに於いて、 前記液晶ライトバルブの端よりみた投射レンズの瞳偏差
   に応じて、前記液晶ライトバルブの近傍に配されたフレ
   ーネルフィールドレンズの抜き勾配角が変化することを
   特徴とする液晶プロジェクタの光学装置。
4. 【請求項４】 Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各セル
   の集合を１画素とし、画素毎にマイクロレンズが設けら
   れた液晶ライトバルブに対し、照明光を、任意変位角に
   設定された複数のダイクロイックミラーを通すことによ
   り各色偏差を有する照明光とし、この照明光を各セルの
   開口部付近に分離集光させる単板式マイクロレンズカラ
   ーセパレーション方式プロジェクタに於いて、 前記画素の両端２色の液晶透過光が、前記液晶ライトバ
   ルブの任意対角端位置より見た投射レンズの瞳形状偏差
   による透過率比と、前記液晶ライトバルブの近傍に配さ
   れたフィールドフレーネルレンズの非有効面損失比とで
   等しくなるように補正されていることを特徴とする液晶
   プロジェクタの投影装置。