JP2608946B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はライトバルブに形成される光学像を照明光で
照射すると共に投写レンズによりスクリーン上に投写す
る投写型表示装置に関するものである。

従来の技術 大画面の映像表示を行うために、比較的小さなライト
バルブに光学的特性の変化として映像信号に応じた光学
像を形成し、この光学像を照明光で照射するとともに投
写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来
よりよく知られている。この種の投写型表示装置は、投
写画像の解像度がライトバルブの解像度でほぼ決まり、
光源を強くすれば光出力が大きくなるので、高解像度の
ライトバルブを用いればその表示面積が小さくても高解
像度で光出力の大きい投射型表示装置を実現することが
できる。また、最近では、ライトバルブとして液晶パネ
ルを用いる方法が注目されている。（例えば、SID87ダ
イジェスト第75ページ）。このような投写型表示装置の
従来の構成の一例を第５図に示す。

ランプ１は赤、緑、青の色成分を含む光を放射し、ラ
ンプ１から放射される光は集光レンズ２と凹面鏡３とに
より平行に近い光に変換され、熱線吸収フィルタ４を透
過した後、色分解手段５に入射する。色分解手段５は平
板型の青反射ダイクロイックミラー６と平板型の緑反射
ダイクロイックミラー７とを平行に配置したもので、そ
れらの法線8,9が入力光光軸10に対して45度となるよう
に配置されている。色分解手段５を出た赤の光は平面ミ
ラー11,12を介して、緑の光はそのまま直進して、青の
光は平面ミラー13を介して、それぞれ対応する液晶パネ
ル14,15,16に入射する。液晶パネル14,15,16にはそれぞ
れの映像信号に応じて透過率の変化として光学像が形成
される。液晶パネル14,15,16からの出力光は光合成手段
17により１つに合成されて実質的に緑の液晶パネル15の
位置にカラー画像が形成される。このカラー画像はテレ
セントリックの投写レンズ18によりスクリーン（図示せ
ず）上に拡大投写される。光合成手段17は４つの直角プ
リズム19,20,21,22を接合したプリズム型のダイクロイ
ックミラーであり、接合面23,24に赤反射ダイクロイッ
ク多層膜が、接合面25,26に青反射ダイクロイック多層
膜が蒸着されている。多層膜の交差部27はその影響がス
クリーン上に現れないように非常に細かくしている。

第５図に示した投写型表示装置は、投写レンズが１本
であるので画面サイズまたは投写レンズ18からスクリー
ンまでの距離を容易に変えられるという特徴がある。

発明が解決しようとする課題 第５図に示した構成では、集光レンズ２から各液晶パ
ネル14,15,16までの光路長が、青と緑の光は短く、赤の
光は長い。一般に、集光レンズ２から出る光は光路が長
くなるに従って光が拡がるので、青と緑の光は光利用効
率が高いが、赤の光は光路長が長い分だけ光利用効率が
低くなる。投写画像の白バランスを考えると、例えば青
と緑の光の光路に減衰フィルタを挿入して、最適な赤、
緑、青の照度比にする装置がある。装置全体の光利用効
率は最適な赤、緑、青の照度比に最も不足する色の光で
決定されるので、第５図に示した構成では装置全体の光
利用効率が低く、光出力が小さいという課題がある。ま
た、光源の光出力を大きくすれば装置の光出力を大きく
できるが、それだけ装置全体が大きくなるという課題が
ある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、光学系の
光利用効率を向上させて、コンパクトでしかも光出力の
大きい投写型表示装置を提供することを目的としてい
る。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明の投写型表示装置
は、３原色の色成分を含む光を放射する光源と、前記光
源の出力光を３原色の色光に分解するための第１及び第
２の平板型ダイクロイックミラーを略平行に配置した色
分解手段と、折り返しミラーと、光伝達手段と、２つの
フィールドレンズと、映像信号に応じた光学像が形成さ
れる３つのライトバルブと、前記各ライトバルブからの
出力光を１つに合成する多層膜面をＸ字状に交差させた
光合成手段と、前記光合成手段からの出力光を受け前記
ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写する投写レ
ンズとを備え、前記第１の平板型ダイクロイックミラー
によって選択的に分離される第１の色光は前記折り返し
ミラーにより光路を折り曲げられて前記フィールドレン
ズの対応する１つを通過して前記ライトバルブの対応す
る１つに到達せしめられ、前記第２の平板型ダイクロイ
ックミラーによって選択的に反射される第２の色光はそ
のまま直進して前記フィールドレンズの対応する他の１
つを通過して前記ライトバルブの対応する他の１つに到
達せしめられ、前記第２の平板型ダイクロイックミラー
を透過した第３の色光は前記光伝達手段により前記ライ
トバルブの対応する更に他の１つに到達せしめられ、前
記第２の色光は前記光合成手段を直進して前記投写レン
ズに入射せしめ、前記光伝達手段は、入力端に配置され
る入力部収束レンズと、出力端に配置される出力部収束
レンズと、前記入力部収束レンズと前記出力部収束レン
ズとの光路中に配置される中央部収束レンズと、前記入
力部収束レンズと前記中央部収束レンズとの間の光路を
折り曲げる入力側平面ミラーと、前記中央部収束レンズ
と前記出力部収束レンズとの間の光路を折り曲げる出力
側平面ミラーとを備え、前記入力部収束レンズから前記
中央部収束レンズに至る光路長と前記中央部収束レンズ
から前記出力部収束レンズに至る光路長は略等しくし、
前記入力部収束レンズの焦点距離は前記中央部収束レン
ズの焦点距離の略２倍とし、前記入力部収束レンズの焦
点は前記中央部収束レンズの略中心に配置し、前記入力
部収束レンズは前記中央部収束レンズ付近に前記光源内
の発光体の実像を形成し、前記中央部収束レンズは前記
入力部収束レンズ付近の物体の実像を前記出力支部収束
レンズ付近に形成し、前記２つのフィールドレンズの各
々と前記出力部収束レンズはその出射光を前記投写レン
ズに到達せしめ、前記光源から前記３つのライトバルブ
にいたる光路長を等価的に等しくするようにしたもので
ある。

作用 上記構成によれば、集光レンズと光伝達手段の入力部
収束レンズとにより中央部収束レンズの付近に光源内の
発光体の実像を形成し、中央部収束レンズにより入力部
収束レンズ付近の物体の実像を出力部収束レンズ付近に
形成するようにしているので、入力部収束レンズに入射
して中央部収束レンズに到達するような光はすべて出力
部収束レンズを通過して出力される。入力側平面ミラー
と出力側平面ミラーとは、光伝達手段内の光路を折り曲
げるだけである。こうして、入力部収束レンズと中央部
収束レンズとが発散しようとする光を収束光に変換し、
光伝達手段内で光が拡がらないようにするので、レンズ
系を用いて各色の光路長を等価的に等しくでき、光路長
の長い部分の光利用効率の低下を防ぐことができる。次
に、フィールドレンズまたは出力部収束レンズのいずか
の出射光が投写レンズに到達するようにしているので、
この部分の光利用効率は従来と同等である。従って、収
束レンズを組み合わせた光伝達手段を用いることによ
り、光利用効率を向上させた投写型表示装置を実現する
ことができる。

実施例 本発明による投写型表示装置の一実施例について添付
図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における光学系の構成を示
したもので、30は光源、38は色分解手段、39は光伝達手
段、40は折り返しミラー、41,42はフィールドレンズ、4
3,44,45はライトバルブ、46は光合成手段、47は投写レ
ンズである。38の色分解手段において、48は青反射の平
板型ダイクロイックミラー、49は緑反射の平板型ダイク
ロイックミラーであり、それらの法線50,51が光軸37と4
5度の角度をなすように配置してある39の光伝達手段に
おいて、52は入力部収束レンズ、53は入力側平面ミラ
ー、54は中央部収束レンズ、55は出力側平面ミラー、56
は出力部収束レンズである。なお、色分解手段38と光合
成手段46とは第５図に示した従来例で用いているものと
同一である。

光源30はランプ31と、集光レンズ32と凹面鏡33と、熱
線吸収フィルタ34とから構成され、ランプ31は、赤、
緑、青の３原色の色成分を含む光を放射する。ランプ31
から放射される光は集光レンズ32と凹面鏡33とにより平
行に近い光に変換される。厳密には、ランプ31の発光体
35の中心36から出る光線が集光レンズ32から光軸37と平
行に出射するようにしてある。集光レンズ32から出た光
は熱線吸収フィルタ34により赤外線が除去される。光源
30の出力光は色分解手段38に入射し、赤、緑、青の光に
分解される。色分解手段38を出た赤の光は光伝達手段39
を介して、緑の光は直進してフィールドレンズ41を介し
て、青の光は平面ミラー40で光路が折り曲げられた後に
フィールドレンズ42を介して、それぞれ対応する赤、
緑、青のライトバルブ43,44,45に入射する。ライトバル
ブ43,44,45は透過型の液晶パネルであって、映像信号に
応じて透過率の変化として光学像が形成される。ライト
バルブ43,44,45の出力光は、フィールドレンズ41,42及
び出力部収束レンズ56により投写レンズ47に入射する。
このとき、各出力光は光合成手段46により１つに合成さ
れて、実質的にライトバルブ44の位置にカラー画像が合
成される。このカラー画像は投写レンズ47によりスクリ
ーン（図示せず）上に拡大投写される。

フィールドレンズ41,42は平面57,58をライトバルブ4
4,45に向けた平凸レンズであり、光軸37に平行な光線
が、フィールドレンズ41,42に入射した場合にその出力
光線が投写レンズ47の瞳59の中心60の近傍に到達するよ
うにしている。フィールドレンズ41,42の形状と向きを
このようにするのは、球面収差を大きくしないためと、
平面研磨が比較的安価なためである。

投写レンズ47はライトバルブ43,44,45側の画角が小さ
い投写レンズとなっている。これは次のような理由によ
る。一般に、ライトバルブには入射光線の入射角により
工学的な特性が異なるという性質があり、通常の広角の
投写レンズを用いるとライトバルブの中心から離れるほ
どライトバルブへの主光線の入射角が大きくなるので、
スクリーン上の中心と周辺で画質が異なる場合がある。
これを避けるにはライトバルブ側の半画角を10度あるい
はそれ以下にするとよい。

第２図は光伝達手段39の構成を示したもので、色分解
手段38側から順に、入力部収束レンズ52と、入力側平面
ミラー53と、中央部収束レンズ52と、出力側平面ミラー
55と、出力部収束レンズ56とで構成されている。入力部
収束レンズ52は平面61を中央部収束レンズ54に向けた平
凸レンズ、中央部収束レンズ54は両面62,63の曲率半径
が等しい両凸レンズ、出力部収束レンズ56は両凸レンズ
であり、収束レンズ52,54,56は等光路間隔で配置されて
いる。光路を直角に折り曲げるために、入力部収束レン
ズ52と中央部収束レンズ54との間に入力側平面ミラー53
が配置され、中央部収束レンズ54と出力収束レンズ56と
の間に出力側平面ミラー55が配置されている。入力部収
束レンズ52の焦点距離は中央部収束レンズ54の焦点距離
の２倍で、入力部収束レンズ52の焦点が中央部収束レン
ズ54の中心64の近傍にくるようにしてある。出力部収束
レンズ56は、中央部収束レンズ54の中心から出る光線が
屈折して投写レンズ47の瞳59の中心60の近傍に到達する
ようにしてある。入力部収束レンズ52を平凸レンズと
し、平面61を中央部収束レンズ54に向けるのは、球面収
差を大きくしないためと、平面研磨が比較的安価なため
である。中央部収束レンズ54を両面62,63の曲率半径が
等しい両凸レンズとするのも球面収差が大きくしないた
めである。

以下に、第２図に示した赤の光伝達手段39の作用につ
いて説明する。第３図はランプ31から投写レンズ47まで
の光学系を示したもので、説明を簡単にするために関係
する光学部品のみ示している。光伝達手段39には次のよ
うな性質がある。

第１に、中央部収束レンズ54の焦点距離と収束レンズ
52,54,56の位置関係から、中央部収束レンズ54により入
力部収束レンズ52の中心65付近にある物体66の実像67は
出力部収束レンズ56の中心68付近に形成され、この物体
66と実像67とは同じ大きさである。このため、入力部収
束レンズ52の任意の位置から中央部収束レンズ54の任意
の位置に入力する光線は必ず出力部収束レンズ56に入射
する。しかも、ライトバルブ43,44,45への入射光の光束
径がほぼ同一となる。

第２に、入力部収束レンズ52の焦点が中央部収束レン
ズ54の中心64の近傍にあり、中央部収束レンズ54の中心
付近は屈折力がないので、光軸37と平行に入力部収束レ
ンズ52の周辺に入射した光線は中央部収束レンズ54の中
心64をそのまま通過し、出力部収束レンズ56の周辺を通
過する。このため、ランプ31の発光体35の中心36から出
た光線が集光レンズ32で屈折して光軸37と平行に出射す
る場合には、集光レンズ32と入力部収束レンズ52とによ
り、ランプ31の発光体35の実像70が中央部収束レンズ54
の中心64付近に形成される。

以上の事から、中央部収束レンズ54の有効領域が実像
70よりも大きければ、入力部収束レンズ52に入射した光
はすべて出力部収束レンズ56から出射し、光伝達手段39
の内部では光が拡がることによる損失のないことがわか
る。このため第５図に示した従来の構成に比べて赤の光
の利用効率が高くなり、その結果として装置全体の光利
用効率が高くなる。

ランプ31の発光体35の中心36からでた光線は、緑と青
の光がフィールドレンズ41,42を通過して、赤の光が光
伝達手段39を通過して、投写レンズ47の瞳59の中心60付
近に到達する。つまり、ランプ31の発光体35の赤、緑、
青に分かれた実像が、投写レンズ47の瞳59の近傍に形成
される。従って、ライトバルブ43,44,45から出射した光
は効率よくスクリーン上に到達する。なお、第２図に示
した構成では、入力部収束レンズ52から出力部収束レン
ズ56までの光路長を自由に選べるので、光路を折り曲げ
るための平面ミラー53,55を配置する空間は十分に確保
できる。

次に具体的な数値例を用いて説明する。

ライトバルブ43,44,45の表示寸法が40mm×60mm、投写
レンズ47が焦点距離150mm、明るさF2.5、フィールドレ
ンズ41,42が焦点距離170mm、入力部収束レンズ52が焦点
距離130mm、中央部収束レンズ54が焦点距離65mm、出力
部収束レンズ55が焦点距離80mmである。第５図に示した
構成の場合、赤のライトバルブ14の直前の照度は色分解
手段５の直後の照度50％であったが、第１図に示した構
成では、赤のライトバルブ43の直前の照度は色分解手段
38の直後の照度の約75％となり、明らかに光利用効率の
向上が認められた。

次に、本発明の他の一実施例について説明する。第２
図に示した光伝達手段39の入力部収束レンズ52は並凸レ
ンズでなくてもよい。第４図はこの場合の例を示したも
ので、入力部収束レンズ71を曲率の小さい面72が中央部
収束レンズ54に向いた両凸レンズとしている。一般に、
球面レンズはＦ数が小さいと球面収差が大きくなり、光
の拡がりを無視できなくなる。この場合、平凸レンズよ
りも、中央部収束レンズ54に向いた面72の曲率半径が他
方の面の曲率半径の約２倍の両凸レンズの方が球面収差
が少ない。また、第２図に示した入力部収束レンズ52、
中央部収束レンズ54、出力部収束レンズ56の少なくとも
１つのレンズに少なくとも１つの非球面を含むようにし
て光伝達手段39の諸収差の発生を抑制すれば、光伝達手
段39内の光が拡がる事による損失を更に小さくすること
ができる。これは、第４図に示した光伝達手段の場合も
同様である。

また、光伝達手段39において、入力側平面ミラー53も
しくは出力側平面ミラーの少なくともいずれか一方は赤
反射の平板型ダイクロイックミラーであっても構わな
い。この場合、赤反射平板型ダイクロイックミラーの分
光反射特性を適当に選択することにより、平面ミラーを
用いる場合に比べて色純度の高い赤の色光を得ることが
できる。その結果、光合成手段46により合成されたカラ
ー画像において高い赤の色再現性が実現できる。

第１図に示した構成では、フィールドレンズ41,42を
平凸レンズとしたが、他の形状の球面レンズや少なくと
も一方の面に非球面を含むレンズを用いて、スクリーン
上の中心部に対する周辺部の照度比の最適化を図ること
ができる。この場合、曲率の小さい面をライトバルブ4
4,45に向ける方が収差の点で有利である。

第２図に示した構成では、入力部収束レンズ52を平凸
レンズとし、中央部収束レンズ54の焦点距離と収束レン
ズ52,54,56の位置関係を規定したが、これにこだわる必
要はなく、多少変更することにより、スクリーン上の中
心部に対する周辺部の照度比や、赤、緑、青の照度比な
どの最適化を図ることもできる。

第１図では、ライトバルブ43,44,45として液晶パネル
を用いた例を示したが、電気光学結晶など光学的特性の
変化として映像信号に応じた光学像を形成できるものな
らライトバルブとして用いることができる。また、第１
図では光合成手段46としてプリズム型のダイクロイック
ミラーを用いた例を示したが、高い解像度が要求されな
い場合には、色分解手段38と同様に平板型のダイクロイ
ックミラーをＸ字状に交差させたものを用いることがで
きる。いずれも、上述の実施例と同様の効果を得ること
ができる。

発明の効果 以上述べたごとく本発明によれば、光路の長い部分に
収束レンズを組み合わせた光伝達手段を用いて各色の光
路長を等価的に等しくすることでその部分での光利用効
率の低下を防いでいるので、装置全体の光利用効率を向
上させることができ、それによりコンパクトでしかも光
出力の大きい投写型表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図の本発明の一実施例における投写型表示装置の構
成を示す略構成図、第２図は第１図に示した投写型表示
装置で用いる光伝達手段の略構成図、第３図は第１図に
示した光伝達手段の作用を説明するための略線図、第４
図は本発明の他の実施例における光伝達手段の構成を示
す略構成図、第５図は従来の投写型表示装置の構成を示
す略構成図である。 30……光源、38……色分解手段、39……光伝達手段、40
……折り返しミラー、41,42……フィールドレンズ、43,
44,45……ライトバルブ、46……光合成手段、47……投
写レンズ、52……入力部収束レンズ、53……入力側平面
ミラー、54……中央部収束レンズ、55……出力側平面ミ
ラー、56……出力部収束レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−46490（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−284592（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−122637（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−196192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−216025（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−142509（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−106785（ＪＰ，Ａ)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３原色の色成分を含む光を放射する光源
   と、前記光源の出力光を３原色の色光に分解するための
   第１及び第２の平板型ダイクロイックミラーを略平行に
   配置した色分解手段と、折り返しミラーと、光伝達手段
   と、２つのフィールドレンズと、映像信号に応じた光学
   像が形成される３つのライトバルブと、前記各ライトバ
   ルブからの出力光を１つに合成する多層膜面をＸ字状に
   交差させた光合成手段と、前記光合成手段からの出力光
   を受け前記ライトバルブの光学像をスクリーン上に投写
   する投写レンズとを備え、前記第１の平板型ダイクロイ
   ックミラーによって選択的に分離される第１の色光は前
   記折り返しミラーにより光路を折り曲げられて前記フィ
   ールドレンズの対応する１つを通過して前記ライトバル
   ブの対応する１つに到達せしめられ、前記第２の平板型
   ダイクロイックミラーによって選択的に反射される第２
   の色光はそのまま直進して前記フィールドレンズの対応
   する他の１つを通過して前記ライトバルブの対応する他
   の１つに到達せしめられ、前記第２の平板型ダイクロイ
   ックミラーを透過した第３の色光は前記光伝達手段によ
   り前記ライトバルブの対応する更に他の１つに到達せし
   められ、前記第２の色光は前記光合成手段を直進して前
   記投写レンズに入射せしめ、前記光伝達手段は、入力端
   に配置される入力部収束レンズと、出力端に配置される
   出力部収束レンズと、前記入力部収束レンズと前記出力
   部収束レンズとの光路中に配置される中央部収束レンズ
   と、前記入力部収束レンズと前記中央部収束レンズとの
   間の光路を折り曲げる入力側平面ミラーと、前記中央部
   収束レンズと前記出力部収束レンズとの間の光路を折り
   曲げる出力側平面ミラーとを備え、前記入力部収束レン
   ズから前記中央部収束レンズに至る光路長と前記中央部
   収束レンズから前記出力部収束レンズに至る光路長は略
   等しくし、前記入力部収束レンズの焦点距離は前記中央
   部収束レンズの焦点距離の略２倍とし、前記入力部収束
   レンズの焦点は前記中央部収束レンズの略中心に配置
   し、前記入力部収束レンズは前記中央部収束レンズ付近
   に前記光源内の発光体の実像を形成し、前記中央部収束
   レンズは前記入力部収束レンズ付近の物体の実像を前記
   出力部収束レンズ付近に形成し、前記２つのフィールド
   レンズの各々と前記出力部収束レンズはその出射光を前
   記投写レンズに到達せしめ、前記光源から前記３つのラ
   イトバルブにいたる光路長を等価的に等しくすることを
   特徴とする投写型表示装置。
2. 【請求項２】光源から出射する光が平行光に近いことを
   特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
3. 【請求項３】入力部収束レンズは曲率の小さい面を中央
   部収束レンズに向けたレンズであることを特徴とする請
   求項（１）記載の投写型表示装置。
4. 【請求項４】入力部収束レンズは平面を中央部収束レン
   ズに向けた平凸レンズであることを特徴とする請求項
   （１）記載の投写型表示装置。
5. 【請求項５】出力部収束レンズは両凸レンズであること
   を特徴とする請求項（１）記載の投写型表示装置。
6. 【請求項６】フィールドレンズは曲率の大きい面を色分
   解手段に向けたレンズであることを特徴とする請求項
   （１）記載の投写型表示装置。
7. 【請求項７】フィールドレンズは凸面を色分解手段に向
   けて配置した平凸レンズであることを特徴とする請求項
   （１）記載の投写型表示装置。
8. 【請求項８】中央部収束レンズは両面の曲率半径が等し
   い両凸レンズであることを特徴とする請求項（１）記載
   の投写型表示装置。
9. 【請求項９】入力側平面ミラーまたは出力側平面ミラー
   の少なくともいずれか１つは平板型ダイクロイックミラ
   ーであることを特徴とする請求項（１）記載の投写型表
   示装置。
10. 【請求項１０】フィールドレンズと入力部収束レンズと
    中央部収束レンズと出力部収束レンズの少なくとも１つ
    のレンズに、少なくとも１つの非球面を含むことを特徴
    とする請求項（１）記載の投写型表示装置。