JP2007163547A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シャインプルーフの条件を採用した斜め投射方式においても、光利用効率の向上を図ることが出来る背面投射型表示装置を提供する。
【解決手段】照明光源からの光を変調することで表示画像を規定するライトバルブに入射させる照明光学系と、前記ライトバルブによって形成された表示画像光をスクリーンに拡大して投射する投射光学系とを備える投射型表示装置において、前記ライトバルブ，投射光学系，スクリーン面は、それぞれを被写体面，レンズ主面，像面とした場合、それら３者を延長した面が１箇所で交わることで、シャインプルーフの条件を満たすと共に、照明光学系の光軸は、投射光学系の光軸と一致もしくはほぼ一致させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、透過型プロジェクションＴＶ（透過型ＴＶ，リア・プロジェクションＴＶ，
背面投射型ＴＶなど各種の呼び方があるが、全て同義であり、以降は混在して用いる場合もある。）に代表される、表示画像を規定するライトバルブに対して照明光を入射させて、表示画像光を生成する方式のディスプレイの改良に関する。

透過型または反射型ドットマトリクス液晶等を用いた表示パネル（以下、ライトバルブと称する）を用い、このライトバルブに表示される画像をスクリーンに拡大投射して大画面として見せる拡大投射方式が着目されている。
リア・プロジェクションテレビ（ＴＶ）向け背面透過型スクリーンは、一般的に、観察者側に配置される光拡散性シートと光源側に位置するフレネルレンズシートとの組み合わせにより構成されている。
同心円状に単位レンズを配してなるフレネルレンズシートは、エンジンと呼ばれる小型プロジェクタ（ライトバルブを内蔵する）からの投影光を略平行光として、光拡散性シートに出射する働きをする。
光拡散性シートは、フレネルレンズシートで略平行光とされた投影光を、特定方向に並列されたシリンドリカルレンズ群などの特性により、特定方向に広げ、観察者側に表示光として視域を拡げて出射する働きがある。

従来の背面投射型表示装置では、ライトバルブを透過した光束を反射ミラーにより光路変換してスクリーンの背面に導く構造であるため、スクリーンに対し垂直な光軸をもって投射しないとキーストン歪などにより画像に歪みが生じるので、反射ミラーの設置条件に大きな制約を受け、これに基因して投射光学系が占める容積、特にスクリーンに対して奥行き方向の寸法（キャビネットの厚さ）が増し、それ故に薄型のキャビネットによる背面投射型表示装置とすることが出来ないという課題を有していた。

上記課題を解決する手段として、「斜め投射方式」が考えられた。
斜め投射方式は、図1に示すように第１レンズ８の光軸16に対して結像面９（例えば反射手段）において屈曲される光軸17を有する第２レンズ10が前記結像面９を間にして配置されている。そしてこの第２レンズ10は前記第１レンズ８により結像面９に結像された画像を光軸17に対する結像面９の傾斜とは反対側に傾斜して配置されるスクリーン３に斜め投射して拡大画像を得るようになされる。この場合、第２レンズ10からスクリーン３へ至る光路途中で反射ミラーにより折曲し、キャビネットの前面にスクリーンを設けてその背面に導くようにすれば、コンパクトな光学系として背面投射による表示装置が得られる。

しかしながら上記投射光学系を用いて表示装置を構成すると、第１レンズ８により結像面９に結像される像に間延びが生じ、これを第２レンズ10により矯正してスクリーン３上へ結像させる際に間延びが良好に補正されないと歪んだ画像となって見苦しい画面となり、忠実な再現性が得られない。
なお、ここで、「間延び」とは、横方向と縦方向とで拡大率が異なるためスクリーン上の最終画像が、横方向と縦方向のいずれかの方向に伸びてしまうことをいい、台形歪みを補正した後においても、なお残る歪みであり、例えば、正方形の「物」に対し長方形の「像」が形成されることをいう。
そこで、投射光学系を用い、コンパクトな構成で大画面を得るに当り、スクリーン上で画像の間延びが生じることのない投射光学系を有する投射型表示装置を提供することを目的とする特許文献１に係る提案がある。
特許第２８９３８７７号（特開平４−５７０１４号公報）

特許文献１による投射型表示装置は、
光源と、前記光源からの光を変調するライトバルブと、前記ライトバルブによって形成された像の一方向を圧縮もしくは伸長した補正中間画像を形成するアナモフィック光学系と、前記補正中間画像を、歪み、間延びのない画像に拡大して投射する拡大投射光学系とを備えたことを特徴とする。

特許文献１による投射型表示装置を、透過型の投射光学系に対して利用する実施形態（図２参照）では、第１レンズ８の光軸16に対し結像面９において屈曲する光軸17を有する第２レンズ10が結像面９を間にして配置される。この第２レンズ10を通じて結像面９の結像を拡大して結像面とは反対側に傾斜するスクリーン３に斜め方向から拡大投射することができる。

上述の「斜め投射方式」および特許文献１による投射型表示装置は、「シャインプルーフの条件」を満たす光学系を採用している。
シャインプルーフの条件（Shcheimpflugrule Scheimpflug principle）とは、図３に示すように、被写体面と光軸（同図で水平方向）が直交していない場合は、「被写体面、レンズ主面、像面の３者を延長した面が１箇所（Ｓ）で交われば、像面全体でピントが合う」ということになる条件である。

特許文献１に記載される投射型表示装置によれば、ライトバルブと同一光軸上に配置され凸レンズにより形成された実像の前後にシリンドリカルレンズ系を介在させて一方向に圧縮もしくは伸長した補正中間画像を形成したから、スクリーン上へ拡大投射する際に間延びを生じることがなく、スクリーン上での画像の質を著しく高めることができる。
また、ライトバルブと同一光軸上に配置され凸レンズにより形成された実像の前後にシリンドリカルレンズ系を介在させて一方向に圧縮もしくは伸長した補正中間画像を形成したから、スクリーン上へ拡大投射する際に間延びを生じることがなく、スクリーン上での画像の質を著しく高めることができる。

しかしながら、特許文献１（図２に示す光学系）においては、主光線の方向が投射レンズである第２レンズ10の光軸と一致しないため、第２レンズ（投射レンズ）10に向かう光線は発散光となり、第２レンズ（投射レンズ）10に全て入射しない場合が多く、光の利用効率が非常に悪いという問題点がある。
本発明は、シャインプルーフの条件を採用した斜め投射方式においても、光利用効率の向上を図ることが出来る背面投射型表示装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明による投射型表示装置は、
照明光源からの光を変調することで表示画像を規定するライトバルブに入射させる照明光学系と、
前記ライトバルブによって形成された表示画像光をスクリーンに拡大して投射する投射光学系とを備える投射型表示装置において、
前記ライトバルブ，投射光学系，スクリーン面は、それぞれを被写体面，レンズ主面，像面とした場合、それら３者を延長した面が１箇所で交わることで、シャインプルーフの条件を満たすと共に、
照明光学系の光軸は、投射光学系の光軸と一致もしくはほぼ一致することを特徴とする。

照明光学系の光軸を投射光学系の光軸と一致（もしくは、ほぼ一致）させることにより、投射光学系（投射レンズ）に向かう映像光は発散光とする必要がなく、投射レンズに入射する光量の確保が容易であり、照明光の利用効率の低下を招くことが回避される。
従って、キーストン歪，台形歪などの映像欠陥がなく、高輝度な映像光が大画面で投影することが可能な、薄型（奥行き方向にコンパクト）な投射型表示装置が提供される。

＜実施形態１＞
透過型パネル（ライトバルブ）を用いた第１の実施形態を図４に示す。
通常、図４に示すような光学系において、シャインプルーフの条件を満たす場合、Ｉ２で示されるサイズの映像がレンズシステムを通して、収差なくＩ１で示されるサイズとして像を結ぶことになる。
その拡大比はα１／α２である。
シャインプルーフの条件では、Ｉ２が被写体面であり、Ｉ１が像面に相当する。

上記の光学系内で、Ｉｍ２で示される部分に透過型ライトバルブ（液晶パネル）を設置して、Ｉｍ１で示される部分にスクリーンを設置する。
Ｉｍ１およびＩｍ２の中心を光軸とする。
Ｌ１には投射レンズを設置する。
照明光学系の光軸は、ここでは上記の光軸と一致させる。
ランプ（照明光源）からの照明光は、フライアイ，ライトトンネルなどのインテグレーターを通して、光を均一化させる。

その後、コンデンサーレンズを通して、平行光束でパネルを照明する。
その後、パネルから空間変調光（画像光）は投射レンズに入射する。
このとき、パネルの前には照明光の光量を最大限に用いることが出来るように、レンズで照明光を収束させても良い。
同図で網がけを施した部分が、照明光源からスクリーンに至る光線の通る経路にあたるわけだが、投射レンズＬ１の前後で光量の損失がないことが、本願発明による顕著な作用効果である。

ここで、照明光のＮＡは投射光学系のＮＡより大きくなる必要がある。
投射光学系を経てスクリーン上に像が形成されるが、ここでは光軸外しのオフセットフレネルレンズを用いる。（図示せず）
例えば、ＴＩＲ（全反射）フレネルレンズを用いても良い。
また、プロジェクションＴＶ内に光学系を収めるために、必要に応じて、点線の位置で光線を折り曲げても良く（点線の箇所にミラーを配置することで、スクリーンは点線に対称な位置となる。）表示装置のコンパクト化（奥行き方向）に影響を及ぼすことになる。

＜実施形態２＞
反射型パネル（ライトバルブ）を用いた第２の実施形態を図５に示す。
この場合、照明光学系の光軸と投射光学系の光軸が同一軸もしくは近傍に存在するので、ある光学手段−プリズム−を用いる必要がある。
台形ひずみが生じた場合、投射レンズ光学系に、補正機能を有する光学手段を用いると良い。

このように、照明光学系と投射光学系の光軸を一致させ、オフセットフレネルスクリーンを用いることで、光量ロスの問題点を解決することが出来、航空写真（シャインプルーフ）と同様に、高い解像度の映像をスクリーンに表示することができる。

斜め投射方式による光学系を示す説明図。（従来技術） 補正中間画像を形成するアナモフィック光学系を有するシャインプルーフの条件を満たす光学系を示す説明図。（従来技術） シャインプルーフの条件について、概略を示す説明図。 透過型ライトバルブを用いた場合の本発明の一実施形態を示す説明図。 反射型ライトバルブを用いた場合の本発明の一実施形態を示す説明図。

符号の説明

３ スクリーン
８ 第１レンズ（照明光学系を構成）
９ 結像面
10 第２レンズ（投射光学系を構成）
16 第１レンズの光軸
17 第２レンズの光軸

Claims (5)

1. 照明光源からの光を変調することで表示画像を規定するライトバルブに入射させる照明光学系と、
   前記ライトバルブによって形成された表示画像光をスクリーンに拡大して投射する投射光学系とを備える投射型表示装置において、
   前記ライトバルブ，投射光学系，スクリーン面は、それぞれを被写体面，レンズ主面，像面とした場合、それら３者を延長した面が１箇所で交わることで、シャインプルーフの条件を満たすと共に、
   照明光学系の光軸は、投射光学系の光軸と一致もしくはほぼ一致することを特徴とする投射型表示装置。
2. 像面となるスクリーン面は、光軸からシフトした位置に形成されることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
3. スクリーンには、光軸を外したオフセット・フレネルレンズが使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. ライトバルブによって形成された表示画像光の歪補正にあたって、投射光学系内に挿入した光学手段が用いられるされることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の投射型表示装置。
5. 投射光学系内には、１枚以上の反射ミラーが存在することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の投射型表示装置。