JP2643713B2 - 液晶投写形ディスプレイ - Google Patents

液晶投写形ディスプレイ

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JP2643713B2
JP2643713B2 JP4054749A JP5474992A JP2643713B2 JP 2643713 B2 JP2643713 B2 JP 2643713B2 JP 4054749 A JP4054749 A JP 4054749A JP 5474992 A JP5474992 A JP 5474992A JP 2643713 B2 JP2643713 B2 JP 2643713B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、相対周辺光量特性に優
れた液晶投写形ディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の液晶投写形ディスプレイの構成を
図２６（ａ）に示す。同図は、１パネル，１レンズ方式
のものである。同図において、１は面光源、２はコリメ
ータ用フレネルレンズ、３は液晶パネルで、画素の対角
長約２５０mm，幅２００mm，高さ１５０mm，厚さ約２mm
である。４は、集光用フレネルレンズ、５は投写用レン
ズ、６はスクリーンである。同図において、角β，β′
は投写光の面角である。角ωは、液晶パネルを通過する
光の発散角で、その単位は［rad］である。液晶パネル
４の上に形成された画像は、投写レンズ５によって、ス
クリーン６の上に結像される。通常使用されるＴＮ（Tw
isted Nematic）形液晶パネルは、その通過光の傾斜角
に依存して、光変調特性が偏移することが知られてい
る。該光変調特性の入射角依存性は異方性を示し、光の
偏波面の方向で狭角であり、その直交方向で広角である
ことが知られている。通常のＴＮ液晶パネルにおいて
は、上記狭角方向は、垂直方向に対応し、上記広角方向
は、水平方向に対応する。従って、良好な光変調特性即
ち高いコントラスト比を得るには、液晶の狭角方向の発
散角を小さくできる光学系を使用する必要がある。実験
的に、コントラスト比：Ｃの値は６／ω2にほぼ等しい
ことが知られている。自然画再生の用途で良好な階調再
現性を得るには、コントラスト比を１００以上とする必
要がある。従って、発散角ωは約０．２５rad 以内とす
る必要がある。
【０００３】液晶パネル４の上には、６４０×４８０の
画素が形成される。ひとつの画素の大きさは約０．３mm
平方である。図２６（ｂ）は、モノクロパネル用の単位
画素の詳細構造の一例を示す。同図で斜線部は光の通過
しない黒化処理された部分である。図２６（ｃ）は、カ
ラー画像再生用の１画素トリオの詳細構造を示し、斜線
部は黒化処理部である。同図のＲ，Ｇ，Ｂは各々赤，
緑，青の単色画素を示す。有効開口面積は、図２６
（ｂ）の場合約６４％であり、図２６（ｃ）の場合は約
３２％である。
【０００４】図２７（ａ）に従来技術における相対周辺
光量特性（ＲＣＩ:Relative CornerIlluminance）を示
す。同図で横軸αは、図２６（ａ）における面光源１か
らの出射光の集光角である。縦軸ＲＣＩはコリメータ用
フレネルレンズ２の入射面における相対照度分布であ
る。これは、ほぼ液晶パネル面の照度分布に等しい。こ
のグラフは、いわゆる(cos)4則に従うことが知られてい
る。図２７（ｂ）はコリメータ用フレネルレンズ２の光
利用率Ｅ（α）を示すグラフであり、その形は、（sin)
2則に従うことが知られている。図２７（ａ），（ｂ）
の両図から判るように、αをπ／２とすれば、光利用率
Ｅ（α）を１００％とできるが、ＲＣＩは０％に劣化し
てしまう。傾斜角αをπ／４とすれば、光利用率Ｅ
（α）は５０％に劣化し、ＲＣＩは２５％に劣化する。
良質の投写画像を形成するには、ＲＣＩを約５０％とす
る必要がある。このためには、図２７（ａ）から判るよ
うに、従来技術においてはαを約０．５７rad以下とす
る必要があり、従って、図２７（ｂ）から判るように、
光利用率Ｅ（α）は、２９％と小さくなってしまう。即
ち、従来技術においては、光利用率を劣化させずに、相
対周辺光量を向上することが困難であった。これが第１
の問題点であった。
【０００５】上記の通り、１枚の平面状コリメータレン
ズとその焦点に配置された１個の小さな面状光源との組
み合わせにおいては、光利用率：sin2α、相対周辺光
量：cos4αの関係がある。従って、相対周辺光量の平方
根と、光利用率との和は常に１に等しい（又は１を越え
ない）という相反関係が存在する。
【０００６】この相反関係は、１個の回転放物面状コリ
メータミラーとその焦点に配置された１個の点光源の組
み合わせにおいても成立するということを証明できる。
詳細過程を省いて結果のみを示すと次の通りである。光
集光角をαとすると、平行化された光の割合：即ち光利
用率は、sin2０．５αに等しく、相対周辺光量はcos
4０．５αに等しい。従って、相対周辺光量の平方根と
光利用率との和は１に等しいという上記と同一の相反関
係が成立する。
【０００７】次に第２の問題点について説明する。
【０００８】図２６（ａ）の集光用フレネルレンズ４を
取り出して、図２８（ａ）に示す。同図で実線９は入射
光であり、実線１０は本来の出射光である。点線１２は
妨害ゴースト光である。その経路は同図に示されている
通り、出射面４′で一部反射し、入射面１１で全反射す
る経路をたどる。この妨害ゴースト光１２はスクリーン
上にゴースト妨害を発生するという問題があった。
【０００９】該ゴースト妨害を軽減するための策として
図２８（ｂ）のようにフレネルレンズ４を表裏逆様に使
うことも従来行なわれていた。しかしこの方式は、同図
の９，９′に示される斜線部入射光が、本来の出射光１
０の方向に出射されないため、相対周辺光量が劣化する
という問題点があった。即ち、従来技術においては、ゴ
ースト妨害という副作用を発生させずに、相対周辺光量
を向上させることが困難であった。
【００１０】尚、該ゴースト妨害は、図２６（ａ）にお
いて、液晶パネル３に後置される集光用フレネルレンズ
４において顕在化するが、液晶パネル３に前置されるコ
リメータ用フレネルレンズ２においては、投写レンズ５
の視野の外にあるため問題とならない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述の説明から理解さ
れるように、従来技術においては、光利用率の劣化、又
は有害なゴースト妨害の発生を防止してかつ相対周辺光
量を増大させることが困難であった。
【００１２】本発明の目的は、光利用率を劣化させず
に、相対周辺光量を向上できる液晶投写形ディスプレイ
を提供するにある。
【００１３】本発明の他の目的は、光利用率の劣化及び
ゴースト妨害等の画質劣化の問題の解消された液晶投写
形ディスプレイを提供するにある。
【００１４】本発明の他の目的は、液晶パネル上の画素
構造とスクリーン上のレンチキュラーレンズ構造との間
の干渉によって発生するモアレ妨害を低減する手段を提
供するにある。
【００１５】本発明の他の目的は、マルチスクリーンデ
ィスプレイにおける各単位ディスプレイ相互間の輝度の
偏差及び白色色度の偏差を低減する手段を提供するにあ
る。本発明の他の目的は、液晶が最良コントラスト比を
示す光軸が液晶パネルの法線方向から３度ないし８度偏
位していることを利用して、よりコンパクトな背面投写
形ディスプレイを構築するにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の液晶パネル入射側光学系においては、液晶
パネル周辺照度増大手段を備える。これは、第１〜第８
の実施例において示される。
【００１７】上記目的を達成するために、本発明の液晶
パネル出射側光学系においては、ゴースト妨害低減手段
を備える。これは、第９、第１０及び第１３実施例にお
いて示される。上記目的を達成するために本発明の第１
１実施例においては、光源手段と液晶パネル手段との間
の光路に光回折板手段とレンチキュラーレンズ手段とを
備える。
【００１８】上記目的を達成するために、本発明の液晶
パネル出射側光学系においては、モアレ妨害低減のため
の画素構造消去用レンチキュラーレンズ手段を備える。
これは第１４、第１５実施例において示される。上記目
的を達成するために、本発明の第１８の実施例において
は、スクリーン手段と液晶パネル手段の間に少く共２枚
のミラーを備え、かつ投写光の光軸が該液晶パネル手段
及び該スクリーン手段の各法線の方向に対して、３度以
上８度以内の下向きの傾斜角度を有するように形成され
る。
【００１９】上記目的を達成するために、本発明の第２
０実施例の液晶パネル出射側光学系においては、パネル
透過率検出制御手段を備える。また、第１９実施例にお
いては、垂直指向性制御用レンチキュラーレンズ手段を
有する。
【００２０】
【作用】上記液晶パネル周辺照度増大手段は、液晶パネ
ルの中央付近の照度を低減して、周辺付近の照度を増大
させる作用を有する。従って、光利用率を損なうことな
く、相対周辺光量を向上できる。
【００２１】上記ゴースト妨害低減手段は、ゴースト妨
害光に対する反射率を低減する作用（第９，第１０の実
施例）又は、ゴースト妨害光を発散させてめだちにくく
する作用（第１３の実施例）を有する。前記第１１の実
施例の光回折板手段によって、入射白色光が３原色各々
の方向に分解され、レンチキュラーレンズ手段によって
各３原色画素へと収束される。従って光利用率が約３倍
に向上される。
【００２２】上記画素構造消去用レンチキュラーレンズ
手段は、スクリーン上に結像される画像に含まれる画素
構造をぼかす作用をゆうする。（第１４実施例）上記パ
ネル透過率検出制御手段は、黒レベル信号及び白レベル
信号に対応する液晶パネルの透過率を検出し、これが所
期の各一定値から偏移しないように制御する作用を有す
る。前記第１８の実施例の手段によって、再生画像のコ
ントラスト比従って画質の向上を図り得ると共に、更に
スクリーンへの入射光が３度ないし８度傾斜しているこ
とによって背面投写形ディスプレイの奥行を大幅にコン
パクト化することができる。
【００２３】上記垂直指向性制御用レンチキュラーレン
ズ手段は、フレネルレンズの有する色収差を補正して色
調偏差を低減する作用を有する。
【００２４】
【実施例】本発明の第１の実施例を図１に示す。同図に
おいて、符号１，３，４，５，６は、既述図２６と同じ
である。２′，１４は液晶パネル３の入射側光学系に設
けられた液晶パネル周辺照度増大手段である。２′，１
４は各々フレネルレンズである。１５，１６，１７は各
々フレネルレンズ入射光中の最周辺光，中周辺光，非周
辺光である。以下その動作を説明する。フレネルレンズ
１４は、最外周光１５の入射部において最大のパワ（最
小の焦点距離の意）を有し、中周辺光１６の入射部にお
いて、中程度のパワを有し、非外周光に対して、小さい
パワを有するように構成される。定量的には、フレネル
レンズ２′の入射面において、その照度がほぼ一様化さ
れるようにフレネルレンズ１４のプロファイルを構成す
る。フレネルレンズ２′は、その出射光が液晶パネルの
光軸にほぼ平行となるようにそのプロファイルを構成す
る。換言すれば、光源に近い方の集光用フレネルレンズ
１４はその周辺付近においてのみ強い集光レンズ作用を
有するように形成し、液晶パネルに近い方の集光用フレ
ネルレンズ２′は、その中央付近においてのみ強い集光
レンズ作用を持つように構成する。その変形例として
は、フレネルレンズ１４の内周部をとり除いて、円環状
として良い。一方、フレネルレンズ２′の外周部をとり
除いて、より小さい円板状として良い。
【００２５】以上の通り構成すれば、液晶パネル３へ入
射される光の照度は、従来技術に比べて、より均一化さ
れる。何故なら、液晶パネルの中央付近の照度は、従来
技術に比べてより小とでき、かつ、液晶パネルの周辺付
近の照度は従来技術に比べてより大とできるからであ
る。
【００２６】従ってその効果として、光利用率を劣化さ
せることなく相対周辺光量（液晶パネルの周辺照度と中
央照度の比）を向上することができる。
【００２７】次に液晶パネル入射面照度を均一化するた
めの設計方について図２を参照しながら補足する。
【００２８】フレネルレンズの具体構成に必要とされる
プリズム角：θは、別途数１及び数２に示される公式に
基いて、その入射角：α，出射角：γ及び、フレネルレ
ンズ媒質の屈折率：ｎの値から求めることができる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
【数２】
【００３１】フレネルレンズ１４に関しては、入射角α
は、光源からの出射光の傾斜角αに合致する。レンズ１
４の出射角γは式２によって求められる。同式におい
て、Ｌ2は図４におけるレンズ１４とレンズ２′との間
の距離である。αMは、レンズ１４への最大入射角であ
る。ｙMはレンズ２′の最大半径である。ｙはレンズ１
４への入射光の高さ、即ちレンズ１４の中心から測った
レンズ１４への光入射点までの距離である。従って、式
１，２からレンズ１４のプリズム角を設計できる。
【００３２】レンズ２′に関しては、その出射角γは約
０度である。その入射角は、既述べレンズ１４の出射角
に等しい。従って、レンズ２′のプリズム角も式１，２
から設計できる。上述の設計法に従えば、液晶パネルの
照度分布を一様化平坦化できる。但し、本実施例の範囲
は厳密に式１，２に基いたフレネルレンズ１４，２の構
成に限定されるものではない。
【００３３】本実施例の構成要件は、液晶パネルの入射
側光学系において、液晶に近い方に配置された集光用レ
ンズの中央付近のパワを周辺付近のパワより大となし、
かつ、光源に近い方に配置された集光用レンズの周辺付
近のパワを中央付近のパワより大となすことにある。更
に具体的には、図１に表現されているとおり、フレネル
レンズ２’の出射光の方向と入射光の方向との差で定義
されるフレネルレンズ２’の偏向角がその周辺端部を除
く内部領域において、最大値を有し、該最大値に比べ
て、該周辺端部の偏向角がより小さいことを特徴とす
る。
【００３４】本発明の第２の実施例を図３に示す。本実
施例の要点は、集光用フレネルレンズ１８の入射面を光
源方向にその外周部をわん曲させた曲面（例えば球面又
は円筒面）状となすことにある。従来技術においては、
フレネルレンズ２（図１）の入射面は平面状であった。
従って利用可能出射光の傾斜角αの最大値αMがπ／４r
adの場合、図２で既述の通り、光利用率は、約５０％、
相対周辺光量は２５％であった。
【００３５】本実施例の場合、αMをπ／４radとした場
合、光利用率は約５０％のままで、相対周辺光量を２５
％より大とできる。例えば、図３（ａ）において、Ｌ1
／Ｌ1′比を１．１とした場合、液晶パネル３の中央付
近の照度は１／１．２１倍に弱まり、同時に液晶パネル
３の周辺付近の照度は約１．２倍に強まる。従って、相
対周辺光量は約１．４（１．２×１．２）倍に改善され
る。
【００３６】従って、その効果として、光利用率を劣化
させることなく相対周辺光量を向上することができる。
【００３７】図３（ｂ）は平面状のフレネル面を球面状
化するためのひとつの方法を示す。同図（ｂ）の符号１
８はフレネルレンズで正面図で示してある。
【００３８】ｘは中心からの距離でｌ（ｘ）は取り除く
べき幅を示す。Ｒは曲率半径である。以下に記された式
に従って扇形領域を切り除き、然る後残部の切り口を閉
じる（例えば接着する）ことによって、平面状フレネル
を球面状フレネルに変形することができる。
【００３９】ｌ（ｘ）＝２πｘ3／６Ｒ2 例えば、ｘ＝１００mm，Ｒ＝３００mmとした場合、ｌ
（１００mm）≒２３mmである。
【００４０】また、上記の式に現れるｘ3／６Ｒ2の因子
は、ｘ／Ｒ−sin（ｘ／Ｒ）をテイラー展開近似するこ
とによって得られるものである。
【００４１】本実施例の構成要件は、液晶パネル入射側
光学系において、集光用フレネルレンズの周辺部を光源
側へわん曲させることである。
【００４２】以上で第２実施例の説明を終る。
【００４３】本発明の第３の実施例を図４（ａ）に示
す。同図で符号１，３，４，５，６は既述図１と同じで
ある。１９は透明板、２０は円筒状ないし４角筒状の容
器、２はフレネルレンズ、２１は透明液体、２２は液体
を封じるためのツーリング用Ｏリングである。液体材質
としてはその屈折率が透明板１９及びフレネルレンズ２
のそれに近くてかつその蒸気圧が低いもの、例えばシリ
コーンオイル，エチレングリコール，グリセリンなどを
用いることができる。またその中に、透明な赤外線吸収
物質を混ぜても良い。
【００４４】本実施例の動作原理を同図（ｂ），（ｃ）
に示す。同図（ｂ）において、空中から透明板１９への
入射角αと、媒質内角度αpとの間には下記の式で示す
スネルの法則が成立する。
【００４５】sinα＝ｎsinαp ここで、ｎ＝１．５，α＝９０°を代入すると、 αp≦sin~1（１／１．５）＝４２° となる。従って、αpの値は約４２度以内となる。従っ
て、相対周辺光量ＲＣＩは同図（ｃ）に示す通りとな
る。
【００４６】この図を既述従来方式図２７（ａ）と対比
して判るように、ＲＣＩが大幅に改善されている。例え
ば、光源からの出射光の空中傾斜角αがπ／４rad（４
５度）の場合、ＲＣＩは従来の０．２５が本実施例で
０．６に改善される。即ち、液体レンズの作用によっ
て、相対周辺光量が大幅に改善される。
【００４７】本実施例の構成要件は、液晶パネル周辺照
度増大手段として液体レンズを備えることである。
【００４８】本発明の副次的効果として、液体２１の対
流による熱放散効果が存在する。従って、より強い光源
の使用が可能となり、より明るい液晶式投写形ディスプ
レイを構成提供できる。
【００４９】尚、本例において、フレネルレンズ２のプ
リズム角は、既述設計公式である下記の数１に基いて構
成できる。
【００５０】次に、第４の実施例を図５（ａ）に示す。
同図で２５はだ円面状レンズで、その離心率が、液体の
屈折率の逆数にほぼ等しい形状とする。光源は該だ円面
の遠い方の焦点の位置に設ける。かくすれば、レンズ２
５からの出射光は、ほぼ平行光となる性質がある。
【００５１】本構成におけるＲＣＩは既述図４（ｃ）に
記した特性に比べて更に良好なものとできる。
【００５２】図５（ｂ）に第４の実施例の変形例を示
す。同図で、２５′は球面状レンズであり、２はフレネ
ルレンズである。本構成におけるＲＣＩの値は同図に併
記した通り、約０．６４に改善される。本実施例はいわ
ゆる光学における不遊点原理を利用したものである。不
遊点原理の詳細は、本発明者の特許出願公開公報、特開
昭５９−１４２５１３号（特願昭５８−１６１５６号）
を参照されたい。
【００５３】以上で第４実施例及び、その変形例の説明
を終る。
【００５４】第５の実施例を図６に示す。同図で２６は
反射用ミラーである。その他は第１実施例図４と同じで
ある。ミラー２６の付加によって、光の無駄な散逸が防
止される。該ミラーは、既述第２，第３，第４の実施例
と組合せても良い。
【００５５】次に光源の構成例を図９，１０，１１に示
す。
【００５６】第６の実施例を図７（ａ），（ｂ）に示
す。（ａ）は垂直断面図であり、（ｂ）は正面図であ
る。２８は円筒状光源で水平方向（液晶パネルの指向性
の広角方向）に長く垂直方向（挟角方向）に短い。光源
の種類としては、メタルハライドランプ，ハロゲンラン
プ，キセノンランプなどを使用できる。２７は円筒状な
いしだ円面状ミラーで、水平方向（液晶パネルの指向性
の広角方向）に長く、垂直方向（挟角方向）に短かい。
【００５７】図７（ｂ）の２７′はミラー２７の開口部
である。同図に示す通り、開口部も水平方向に長く、垂
直方向に短く構成する。こうすることによって、開口部
２７′からの無駄な光の散逸を防止できる。また、開口
部からの出射光の傾斜角αMを例えば約３０度以内とす
ることにより、相対周辺光量ＲＣＩを向上できる。更
に、図２６（ａ）で既述した所の液晶パネル通過光の発
散角ωをパネルの挟角方向に対応して狭くかつパネルの
広角方向に対して広くできるので、光量損失を最小限に
してかつ、コントラスト比の劣化を防ぐことができる。
【００５８】本構成の要件は、光源の大寸法方向を液晶
パネルの指向特性の広角方向に合致させ、光源の小寸法
方向を狭角方向に合致させることである。
【００５９】第７の実施例及びその変形例を図８に示
す。同図（ａ）において２９は多面体状ミラー、２８は
点光源又は円柱状光源である。同図（ｂ）はミラー２９
の斜視図である。同図（ａ）の点線丸印は点光源２８の
ミラー２９による虚像である。本構成（ａ），（ｂ）
は、実光源に多数の虚光源を付加する作用を有する。
【００６０】同図（ｃ）の３０は平面状ミラーで２８は
点光源又は円柱状光源である。この場合は虚光源１ヶ所
付加される。
【００６１】同図（ｄ）はだ円面状ミラー３１を利用し
て、一方の焦点に点光源２８を配置し、その実像を他方
の焦点に形成する構成を示す。図１０のいずれの構成を
も、既述第１〜第５実施例における面光源１の代用とし
て用い得る。
【００６２】第８の実施例を図９（ａ）に示す。
【００６３】同図は図８（ｄ）と図４（ａ）とを組み合
わせたものである。同図において、１０１は空気又は液
体である。２２′はシーリング用部材である。１０２
は、モータを原動力とする小形ポンプである。１０３は
配管である。
【００６４】ポンプ１０２の作用によって、だ円面状ミ
ラー３１の内部空間内の媒体が還流し、その結果、光源
２８を冷却できる。
【００６５】同図の符号１９′は、透明板１９の入射部
に設けられた回折格子である。１９″は光の偏波面を４
５度回転するファラデー素子である。
【００６６】１９′，１９″の作用を図９（ｂ）に示
す。同図丸印内の矢印は光の偏波方向を示す。ミラー３
１を出射した光は、１９′，１９″を経て、縦方向偏波
成分のみが透明板１９の中へと出力される。横方向偏波
成分は反射され１９″にもどり更に４５度回転され、縦
方向偏波となる。これは１９′をそのまま通り抜ける。
【００６７】周知の通り、通常のＴＮ方向の液晶パネル
はその入出射側に偏光板を包含配置することが必要であ
る。従って、５０％のエネルギーロスを不可避である。
図９の構成においては液晶パネルの入力側偏光板を省略
できるのでそのエネルギーロスを低減できる。
【００６８】次に図１０，１１にゴースト妨害解消策に
ついて記す。
【００６９】本発明の第９実施を図１０に示す。同図で
１は光源、２，１９は既述液体レンズ、３は液晶パネ
ル、４はフレネルレンズ、５は投写レンズ、６はスクリ
ーンである。３２は透明粘着剤であり、例えばアクリル
系の材質を用いる。該材質の屈折率はフレネルレンズの
材質に適したアクリル樹脂の届折率約１．５に近い。従
って、境界面での光の反射を解消できる。
【００７０】従って、図２８（ｂ）にて既述した従来技
術におけるゴースト妨害１２を解消できる。本実施例の
構成要件は、液晶パネル３の出射面とフレネルレンズ４
の入射面とをその届折率が約１．４〜１．６の粘着剤で
結合することである。
【００７１】本発明の第１０実施例を図１１に示す。同
図で３４はその届折率が約１．４〜１．６の液体を使用
する。例えばシリコーンオイル，エチレングリコール，
グリセリンを使用する。３３はシーリング用部材であ
る。その効果は、ゴースト妨害の消去及び液晶パネル３
の冷却である。その変形例として、液晶パネル３の入射
面をも液体３４によって包み込むように構成しても良
い。
【００７２】本実施例の構成要件は、液晶パネルの少な
く共出射面とフレネルレンズの入射面との間にその届折
率が１．４〜１．６の液体を封じることである。
【００７３】第１１実施例を図１２（ａ）に示す。
【００７４】同図で２８は点光源、３５は回転放物面鏡
であり、その出射光３７はほぼ平行光である。３６は透
明プラスチック材質の回折板である。３は液晶パネル、
４１はその入射面の形成されたレンチキュラーレンズ、
４はフレネルレンズ、５は投写用レンズである。スクリ
ーン６は図示が略されている。光回折板３６の入射面に
は、図１２（ｃ）に例示したレンチキュラーレンズが形
成される。その配列周期Ｐは同図に例示した通り光の波
長より若干大とする。また、レンチキュラーレンズの波
高ｈは、大略光の波長程度に設定される。この厚みは、
いわゆる第零次回折光３７′を最小とする周知の条件に
基き設定される。周知の通り、第零次回折光を最小とす
る条件は、第１次回折光を最大とする条件にほぼ等し
い。第１次回折光出力は、図１２（ａ）の矢印３９の方
向に発生する。同図の３８，３９，４０の矢印は各々赤
緑青（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の出射方向を示す。これらの光は図
１２（ｂ）に示す通り、液晶パネル３の入射側レンチキ
ュラーレンズ４１によって届折される。同図において、
点線はＲ、実線はＧ、１点鎖線はＢを示す。レンチキュ
ラーレンズ４１の形状はだ円柱状であり、だ円の離心率
は媒質の届折率の逆数にほぼ等しい形となし、その焦点
に画素が配置されるようにする。届折率ｎ、焦点距離
Ｔ、曲率半径ｒ、レンチキュラーレンズ配列周期Ｗ（こ
れは画素トリオ配列周期に等しく設定する。）、レンチ
キュラーレンズの収束角ω1、液晶パネル入射光の発散
角ω（図１のω）との間には、以下に記した式の関係を
持たせる。すると同図に示す通り、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素
へと収束される。
【００７５】
【数３】
【００７６】ここで、例えばＴ＝１．１mm，ｎ＝１．
５，ε＝０．１４を代入すると、 ｒ≒０．３７mm Ｗ≒０．３mm ω1≒０．２７mm を得る。ところで、εは以下の式で表わされ、
【００７７】
【数４】
【００７８】ここで、例えばＰ＝９００nm，λ＝５７０
nmを代入すると、ε≒０．１４radを得る。
【００７９】従って、液晶パネルにおける光の損失を大
幅に低減することができる。上記した数値例において、
図２６（ａ）の発散角を０．０９radとした場合、液晶
パネルの光透過率を約３倍に改善することができる。
尚、上例の説明において透過式の光回折板３６を用いた
が、これを光反射式の光回折板によって代用することが
できる。
【００８０】第１２の実施例を図１３に示す。
【００８１】同図において１は光源、２，１９は液体レ
ンズ、３は液晶パネル、４はフレネルレンズ、５は投写
用レンズ、６はスクリーンである。４４，４５は各々液
晶パネル３の入出射面に配置されたレンチキュラーレン
ズである。下記の数５に示す関係を、レンチキュラーレ
ンズの曲率半径：Ｒ1，Ｒ2、厚み：Ｔ1，Ｔ2、届折率：
ｎ届折収束角ω1の間に持たせることにより、光透過率
を改善することができる。
【００８２】
【数５】
【００８３】ここで、例えばＷ＝０．３mm，ｎ＝１．
５，Ｔ1＝１．１mm，ω1＝０．２７rad,Ｒ1＝０．３７m
m，Ｔ2＝０．７mm，Ｒ2＝０．２３mmである。
【００８４】尚、出射側レンチキュラーレンズ４５の作
用は、入射側レンチキュラーレンズで付与された光の発
散を打ち消すためのものである。同様の目的で、既述図
１２（ａ）においても液晶パネル１４の出射側にレンチ
キュラーレンズを配置することができる。
【００８５】尚、第１１，１２の実施例においては、フ
レネルレンズ４のゴースト妨害の問題が残存している。
これを軽減するための方策を次に示す。
【００８６】第１３実施例として図１４（ａ）に示す。
同図の特徴はフレネルレンズ４の入射面にレンチキュラ
ーレンズ４を配置したことである。同図（ｂ）にその原
理が示される。入射光９は本来の出射光１０に加えて点
線で示す妨害光を発生する。しかし該妨害光は点１１に
おいて、レンチキュラーレンズ４によって散乱される。
従ってその出射方向が４７，４８，４９で示される通り
バラバラに分かれる。その結果、ゴースト妨害として検
知されにくくなる。既述図２８（ａ）の説明と対比して
上記のことが理解される。該散乱の媒質内散乱角は、レ
ンチキュラーレンズの曲がり角ａの２倍となる。これを
図１４（ｃ）に示す。同図の５０，５１は入射妨害光で
あり、５２，５３は媒質内散乱光である。該散乱角２ａ
はフレネルレンズ４の出射面から出射される際、スネル
の法則に基いて約ｎ（届折率）倍に散乱される。これを
レンチキュラーレンズの届折力による発散角（ｎ−１）
ａと比べると２ｎ／ｎ−１倍、即ち約６倍と大きい。従
って、本来光に対するわずかの届折発散角の付与によっ
て約６倍の大反射散乱角をゴースト妨害光に付与でき
る。従って、ゴースト妨害の軽減に有効である。ａの値
の適値は、届折発散角を過大としないために０．２rad
以下、反射散乱角を充分大とするために０．０４rad以
上とする必要がある。（０．０４≦ａ≦０．２）図１４
（ｄ）に、変形例を示す。同図においてはフレネルレン
ズの出射面５４にレンチキュラーレンズ作用を兼ねさせ
ている。
【００８７】以上に記した通りフレネルレンズ面の曲が
り角ａは、０．０４≦ａ≦０．２とする。
【００８８】図１５に更に他の変形例を示す。４は両面
複合フレネルレンズ、５は投写レンズ、６はスクリー
ン、９は液晶パネルからの出射光線、４６，５５は入出
射側フレネルレンチキュラー面、５６は出射光線であ
る。本図の構成の効果はゴースト妨害軽減に加えて、届
折発散角を小さくできることである。
【００８９】以上で第１３実施例及びその変形例の説明
を終り次に第１４実施例を図１６(ａ）に示す。
【００９０】本実施例は液晶パネルとスクリーンとの間
の干渉によって発生するモアレ妨害を１／３以下に低減
するためのもので、その特徴は、６２′で示されるレン
チキュラーレンズをその出射面に有するレンチキュラー
板６２を備えることである。尚、１は光源、２，１９は
液体レンズ、３，４，３２は液晶パネルフレネルレンズ
組、５は投写用レンズ、６はスクリーンである。図１６
（ｂ）に本実施例の作用を示す。同図の６３は液晶パネ
ル上の緑色画素でその幅は画素配列周期より狭い。同図
の６４は、スクリーン上に投写された緑色画素でその幅
は画素配列周期に等しい。即ち、液晶パネル上の狭い画
素幅をスクリーン上で等価的に画素配列周期にほぼ等し
くなるように拡大する。同図（ｃ）にその原理を示す。
６２″は液晶パネル上に換算した画素構造を示す。同図
は、光線を逆追跡した図であって、スクリーン上の１点
が液晶パネル上で、どれだけの拡がり幅に対応するかを
示す。下記の数６の関係を満たせば、スクリーン上の１
点を画素トリオ配列周期Ｗに合致させ得る。
【００９１】
【数６】
【００９２】実際例としては、レンチキュラーレンズと
液晶パネル画素面との間隔Ｔ：３mm，画素トリオ配列周
期：０．３mmの場合、レンチキュラーレンズによる媒質
内発散角：ω3を０．１radにすれば液晶パネル上の画素
拡がり幅を０．３mmとできる。このためには、届折率が
１．５の場合、スネルの法則に基きレンチキュラーレン
ズの曲がり角ａを０．３radとすれば良い。
【００９３】図１７に第１４実施例の補足説明図を示
す。同図は、液晶パネル上の１点から出発してスクリー
ン６へと至る順方向光追跡を示す。スクリーン上の拡が
り幅はＡで示されている。周知の一般結像光学系におけ
る相反原理（物点と像点との交換）によれば、Ａの大き
さはスクリーン上の画素配列周期にほぼ等しくなる。こ
のことは、フーリエ解析の原理によれば、スクリーン上
において、液晶パネルの画素構造を消滅できることを意
味する。定量的には画素トリオ配列周期の空間周波数に
おけるレンチキュラーレンズの伝達関数は、ほぼsin
（πω3Ｔ／Ｗ）（Ｗ／πω3Ｔ）で与えられる。従って
前記条件においてこの値は零となる。
【００９４】従って本実施例に選れば、スクリーン上の
投写画像中に含まれる画素トリオ配列周期の空間周波数
成分を消去でき、従って後述スクリーンの細部構造との
干渉で発生するモアレ妨害を軽減できる。
【００９５】尚、図１７においてレンチキュラーレンズ
６２′をネガチブパワー形式で示したがポジチブパワー
形式でも良い。本実施例の構成要件は、液晶パネルの出
射光側にレンチキュラーレンズ配置し、該レンチキュラ
ーレンズの発散角を画素配列周期をＷとし、画素〜レン
ズ間隔をＴとするとき、０．７Ｗ／Ｔ〜1.5Ｗ／Ｔradと
することである。そうすることによって、既述の式から
判るように、画素構造を約１／３以下に低減できる。
【００９６】スクリーン６の詳細構造を第１５実施例と
して図１８（ａ）に示す。同図で６３はコリメータ作用
を有するフレネルレンズ板、６４は垂直発散用横縞状両
面レンチキュラーレンズ板、６５は水平発散用縦縞状両
面レンチキュラーレンズ板である。図１８（ｂ）は垂直
指向特性を示す。実線Ｇ1（θ）は入射側レンチキュラ
ーレンズ６４′の指向性であり、点線Ｇ2（θ）は出射
側の微細レンチキュラーレンズの指向性である。図１８
（ｃ）に総合垂直指向特性Ｇ（θ）を示す。この特性は
後述の条件を満たす場合、Ｇ1とＧ2とのコルボルーショ
ン原理によって得られる。単一レンチキュラーレンズで
は（ｂ）に示した通り、その指向性がシャープカットオ
フ的であるため実用に適さないのに対して、本構成にお
いてはふたつのレンチキュラーレンズ６４′，６４″を
カスケード形式で用いることによって実用に適するリモ
ートカットオフ特性を実現できる。尚、上記コルボルー
ション原理を利用するためには、微細レンチキュラーレ
ンズの配列周期を該レンズ面（出射面）における投写レ
ンズのひとみの像の拡がり幅より小とする必要がある。
該拡がり幅は、レンチキュラーレンズ板６４の中に混合
分散された拡散粒子によって拡大できる。板６４の厚み
３mm入射側レンチキュラーレンズのピッチ０．７mmの場
合、該拡がり幅は約０．１mmである。従って微小レンチ
キュラーレンズのピッチは約０．１mm（一般には、入射
側レンズのピッチの約１／７以下）とする。本発明の光
学系をミラーを使って光路を折りたたんだ応用例を、図
１９に本発明の第１６の実施例として示す。同図におい
て１は光源、２，１９は液体レンズ、３，４，３２は液
晶パネル−フレネルレンズ組、５は投写用レンズ、６は
スクリーンである。傾斜部はミラーである。同図に示す
通り、ミラーの使用によってコンパクト化が可能であ
る。本実施例はスクリーンの対角長が３５インチ〜７０
インチのディスプレイに適する。
【００９７】図２０に第１７の実施例を示す。同図で６
６，６７，６８は各１台のプロジェクタユニットであ
る。本構成によれば３台のプロジェクタを並列運転でき
るのでスクリーンの対角長１００インチ以上のディスプ
レイを構成できる。
【００９８】図２１に第１８の実施例を示す。本図はス
クリーンの対角長約５０インチのユニットディスプレイ
を構成するための実施例である。同図で５７，５８はミ
ラー、６９はプリズムである。これは液晶パネル通過光
の光軸を約３度〜約８度傾斜させ、液晶パネルの光軸に
合致させるためのものである。周知の通り、ＴＮ形液晶
パネルの階調再現上の最適光軸は液晶パネルの法線に対
して約３度〜約８度の角度をなす。上図に示す通り投写
光の光軸を傾斜させることにより、ミラー５７，５８を
用いたコンパクト配置が可能となる。
【００９９】本ディスプレイユニットをマトリクス状に
多数配列することによって巨大なマルチスクリーンディ
スプレイを構成できる。
【０１００】図２２（ａ）に第１９の実施例としてマル
チスクリーンディスプレイの側面図を示す。同図の７
０，７１，７２は各単位プロジェクタ、７３，７４，７
５は各単位スクリーンである。７６は主観視位置であ
る。各スクリーンの各部から出射された光の主軸の方向
を同図に示す通り、主観視位置へ向かう方向にそろえる
と、主観視位置から見てスクリーンの全面が鮮明に見え
る。また、そうすることによって、主観視位置からずれ
た方向から観視しても、スクリーン７３／７４，７４／
７５の境界部で有害な輝度落差を生ずることがない。
【０１０１】主軸の方向をそろえるための具体手段を図
２２（ｂ）に示す。同図は、既述図１８の３枚構成のス
クリーン中の中央の１枚：垂直発散用横縞状レンチキュ
ラーレンズ板６４の垂直断面拡大図である。７７は、入
射側レンチキュラーレンズ、７８，７９は２重レンチキ
ュラーレンズである。２重レンチキュラーレンズは、垂
直方向に光を大局収束するためのレンチキュラーレンズ
７８と垂直方向に光を局所発散するための小ピッチレン
チキュラーレンズ７９とを複合させたものである。後者
（局所発散）の作用は、図１８（ｂ）（ｃ）にて既述し
た。前者（大局収束）について以下に説明する。出射側
大局収束用レンチキュラーレンズ７８のピッチは、入射
側レンチキュラーレンズのピッチより小となしておく。
そうすることによって、同図に示す通り、主観視位置７
６の方向へのマクロ収束作用が得られる。その設計に際
しては、既述フレネルレンズ設計公式である式１を用い
て行うことができる。図２３は第１９の実施例の効果を
補足説明するためのものである。同図（ａ）において５
は投写レンズ、６３はスクリーンを構成するひとつの要
素フレネル板（図１８の６３）である。周知の通り一般
にフレネル板材質（アクリル系）の届折率は赤色（Ｒ，
点線）に対して小さく、青色（Ｂ，１点鎖線）に対して
大きい。即ち色収差を有する。従って、その出射光は、
図２３（ａ）に示す通り出射される。このためスクリー
ンをスクリーンの下方から見上げて観察するとスクリー
ンの上部が青色味を帯びて見え、下部が赤色味を帯びて
見える。
【０１０２】図２３（ｂ）は図２２（ｂ）と同じく垂直
発散用レンチキュラーレンズ板６４の断面拡大図であ
る。同図は大局収束用レンチキュラーレンズ７８の作用
を説明するためのもので表現の複雑さを避けるために局
所発散用レンチキュラーレンズ７９は図示を略してあ
る。
【０１０３】フレネルレンズ板６３の出射光即ち６４へ
の入射光Ｒ，Ｇ，Ｂは相互に斜交しているが、出射側レ
ンチキュラーレンズ７８の作用によって、Ｒ，Ｇ，Ｂの
光の方向をそろえることができる。
【０１０４】従って、スクリーンを上下方向から観視し
ても、スクリーンの上下部が異様に着色して見えること
が防止される。即ち良好な色彩表現が可能となる。以上
の説明から理解される通り、第１８，１９，２０実施例
にて記したスクリーンの構成要件は次の通りである。
【０１０５】フレネルレンズ板，垂直方向発散用レンチ
キュラーレンズ板及び水平方向発散用レンチキュラーレ
ンズ板からなり、該垂直方向発散用レンチキュラーレン
ズ板はその入射面に垂直方向発散用レンチキュラーレン
ズを備え、その出射面には垂直方向収束用レンチキュラ
ーレンズと垂直方向発散用微小レンチキュラーレンズと
の複合されたレンズ面を備え、該垂直方向収束用レンチ
キュラーレンズの配列周期を入射面側の該垂直方向発散
用レンチキュラーレンズの配列周期より小とし、かつ該
微小レンチキュラーレンズの配列周期を該入射側レンチ
キュラーレンズの配列周期の約１／７以下とすることが
要件である。
【０１０６】図２４（ａ）に第２０実施例を示す。これ
は、マルチスクリーン式ディスプレイにおける各ユニッ
トプロジェクタ毎の輝度差のばらつきを低減するために
特に有効なものである。但し、一般のスタンドアロウン
の用途においても、液晶パネルの階調制御特性の温度依
存性を解消するのに有効である。
【０１０７】同図において１は光源、２，１９は液体レ
ンズ、３，４，３２は液晶パネル／フレネルレンズ組、
５は投写レンズ、６はスクリーンである。
【０１０８】８１′は光検出素子（例えばフォトダイオ
ード）、８２，８６，８６′は検出回路（例えば検出用
抵抗器）、８３，８７，８７′は制御回路である。検出
素子８１で光は電流に変換され検出回路８２で電圧に変
換され、制御回路８３によって光源１は負帰還制御され
る。
【０１０９】８５は黒レベル光検出素子、８５′は白レ
ベル光検出素子である。これらは、図２５に示される通
り、液晶パネル３の出射側に配置される。同図で９３は
画像形成領域である。多数の行配線と列配線の交点に各
画素が形成される。９４は黒レベル光検出領域であり、
この領域の出力光を黒レベル光検出素子８５は検出す
る。点線９４′は黒レベル光検出専用行配線である。９
５は白レベル光検出領域で、この領域の出力光を白レベ
ル光検出素子８５′は検出する。９５′は白レベル光検
出専用行配線である。行配線９４′，９５′には、垂直
走査の帰線期間にアドレス用電圧が印加される。従って
垂直走査の順走査期間に行われる画像形成過程への悪影
響を生じない。
【０１１０】図２４にもどって説明する。８９は画像信
号処理回路、８８は画像信号入力端子である。図２４
（ｂ）は画像信号処理回路の内部の一部を示したもので
９０は画像信号、９１は減算器、９２は乗算器、９２′
は極性反転器である。
【０１１１】８５，８６，８７，９１は黒レベル光安定
化負帰還作用を次述の通り有する。
【０１１２】仮に黒レベル光が過大となると、黒レベル
光検出回路８６の出力電圧は増大する。従って制御回路
８７の出力電圧も増大する。従って減算器９１の出力電
圧は減少する。この信号は乗算器９２を経て液晶パネル
へ印加され、黒レベル出力光を低減される。従って所望
の負帰還作用を有する。
【０１１３】８５′，８６′，８７′，９２′，９２は
白レベル光安定化負帰還作用を次述の通り有する。
【０１１４】仮に白レベル出力光が過大となると、白レ
ベル光検出回路８６′の出力電圧は増大する。従って制
御回路８７′の出力電圧も増大する。
【０１１５】従って、極性反転器９２′の出力電圧は減
少する。従って乗算器の出力電圧は減少する。従って液
晶パネルの白レベル光は減少する。従って所望の負帰還
作用を有する。
【０１１６】従って本実施例によれば周囲温度などの環
境変化に対する安定度の優れた液晶式投写形ディスプレ
イを提供できる。
【０１１７】尚、本実施例の図２４（ａ）において画像
信号入力が１個である場合について記した。カラー再生
用にはＲ，Ｇ，Ｂの３個の信号が存在する。その場合
は、各原色信号毎に本発明を適用すれば良い。
【０１１８】以上で本発明の各実施例の説明を終る。
【０１１９】本発明は既述各単独の実施例に拘束される
ものではなく、いくつかの実施例を組み合わせた構成を
も含むものである。
【０１２０】
【発明の効果】本発明の第１〜第８実施例によれば液晶
投写形ディスプレイの光利用率を劣化させずに相対周辺
光量を増大させることができる。あるいは相対周辺光量
を劣化させずに光利用率を向上させることができる。
【０１２１】本発明の第９，１０，１３実施例によれ
ば、液晶投写形ディスプレイのゴースト妨害を低減する
ことができる。
【０１２２】本発明の第１４，１５実施例によれば液晶
投写形ディスプレイのモアレ妨害を低減することができ
る。
【０１２３】本発明の第１６，１７，１８，１９実施例
によれば、液晶投写形ディスプレイをスタンドアロン
形，並列ドライブ形，各種スクリーンサイズ及びマルチ
スクリーンディスプレイの分野に適用することができ
る。
【０１２４】本発明の第２０実施例によれば液晶投写形
ディスプレイの階調再現の安定度を向上できる。
【０１２５】従って、本発明によれば、様々な分野に応
用可能な画質品位の高い優れた液晶投写形ディスプレイ
を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す断面図。
【図２】上記実施例の原理を説明する図。
【図３】本発明の第２実施例を示す図。
【図４】本発明の第３実施例を示す図。
【図５】本発明の第４実施例を示す図。
【図６】本発明の第５実施例を示す図。
【図７】本発明の第６実施例を示す図。
【図８】本発明の第７実施例を示す図。
【図９】本発明の第８実施例を示す図。
【図１０】本発明の第９実施例を示す図。
【図１１】本発明の第１０実施例を示す図。
【図１２】本発明の第１１実施例を示す図。
【図１３】本発明の第１２実施例を示す図。
【図１４】本発明の第１３実施例を示す図。
【図１５】本発明の第１３実施例を示す図。
【図１６】本発明の第１４実施例を示す図。
【図１７】本発明の第１４実施例を示す図。
【図１８】本発明の第１５実施例を示す図。
【図１９】本発明の第１６実施例を示す図。
【図２０】本発明の第１７実施例を示す図。
【図２１】本発明の第１８実施例を示す図。
【図２２】本発明の第１９実施例を示す図。
【図２３】本発明の第１９実施例を示す図。
【図２４】本発明の第２０実施例を示す図。
【図２５】本発明の第２０実施例を示す図。
【図２６】従来技術の液晶投写形ディスプレイの断面
図。
【図２７】従来技術の問題点を説明するグラフ。
【図２８】従来技術の問題点を説明する断面図。
【符号の説明】
１…光源、２…フレネルレンズ、３…液晶パネル、４…
フレネルレンズ、５…投写レンズ、６…スクリーン、２
１…液体、２／１９…液体レンズ、４４，４５…レンチ
キュラーレンズ、５４…ゴースト妨害消去用フレネルレ
ンチキュラーレンズ面、６２′…画素構造消去用レンチ
キュラーレンズ面、７７…垂直方向発散用レンチキュラ
ーレンズ、７８…垂直方向収束用レンチキュラーレン
ズ、７９…垂直方向発散用微細レンチキュラーレンズ、
８５…黒レベル光検出素子、８５′…白レベル光検出素
子、９４…黒レベル光検出領域、９５…白レベル光検出
領域、９１…黒レベル信号増減用減算器、９２…白レベ
ル信号増幅減衰用乗算器。
フロントページの続き (72)発明者 森 繁 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株 式会社 日立製作所 映像メディア研究 所内 (72)発明者 井上 文夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株 式会社 日立製作所 映像メディア研究 所内 (72)発明者 山本 暁夫 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株 式会社 日立製作所 情報映像センタ内 (56)参考文献 特開 昭64−44925（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−275933（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−266824（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−293222（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−259131（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−29718（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なく共光源手段、液晶パネル手段、投写
    レンズ手段及びスクリーン手段を備えた液晶投写形ディ
    スプレイにおいて、該液晶パネル手段の入射側に周辺照
    度増大手段を備え、該周辺照度増大手段は、相対的に該
    光源手段により近く配置された第１の光収束手段と、相
    対的に該光源から遠く配置された第２の光収束手段から
    なり、該第１の光収束手段によって、該第２の光収束手
    段の入射面における周辺部照度対中央部照度の比を増大
    させるように構成し、かつ、該第２の光収束手段によっ
    てその出射光の方向が該液晶パネル手段の方向にそろえ
    られるように形成され、 かつ、該第２の光収束手段の出射光の方向と入射光の方
    向との差で定義される該第２の光収束手段の偏向角が、
    その周辺端部を除く内部領域において、最大値を有し、
    該最大値に比べて、該周辺端部の偏向角がより小さいこ
    とを特徴とする 液晶投写形ディスプレイ。
  2. 【請求項２】 １項において該第１の光収束手段がフレネ
    ルレンズで形成され、かつ、その周辺部が該光源手段の
    方向へとわん曲されていることを特徴とする液晶投写形
    ディスプレイ。
  3. 【請求項３】 １項または２項において、該第１の光収束
    手段の中央部が、空白状に除去されていることを特徴と
    する液晶投写形ディスプレイ。
  4. 【請求項４】 １〜３項のいずれか１項において、該第２
    の光収束手段の周辺端部の偏向角が零であることを特徴
    とする液晶投写形ディスプレイ。
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