JP2985220B2

JP2985220B2 - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2985220B2
Application number: JP2096735A
Authority: JP
Inventors: 正浩臼井; 信介鹿間; 光重近藤; 英一都出; 博木田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-04-11
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1999-11-29
Anticipated expiration: 2014-11-29
Also published as: JPH03293615A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は，液晶ライトバルブ上に形成された画像をス
クリーン上に拡大投写する投写型表示装置の高輝度化に
関するものである。

［従来の技術］第６図は従来の投写型表示装置の光学系の説明図であ
る。

図において、（１）は光源、（120）はランプ、（13
0）は反射鏡、（２）は光源（１）から出射する照明光
束、（３）は液晶ライトバルブ、（８），（９）は液晶
ライトバルブの前後に配置された偏光板、（４）は投写
レンズ、（５）はスクリーン、（10）はコンデンサレン
ズである。

次に動作について説明する。

光源（１）はランプ（120）と反射鏡（130）から成
り、液晶ライトバルブ（３）に照明光束（２）を照射す
る。ランプ（120）としては、例えばメタルハライドラ
ンプ，キセノンランプ等の放電ランプや、ハロゲンラン
プ等が用いられる。また、反射鏡（130）の反射面は、
図中に一点鎖線で示す中心線（20）に対して回転対称な
放物面であり、公知のように放物面の焦点位置にランプ
（120）の発光中心（121）を配置することにより、円形
の断面形状を有する平行照明光束（２）が得られる。液
晶ライトバルブ（３）の面上には、後述するように画像
が表示され、画像の濃淡及び色に応じて面内の透過率が
変化する。液晶ライトバルブ（３）を透過した光束はさ
らに投写レンズ（４）を透過して投写光（110）とな
り、スクリーン（５）上に拡大結像され鑑賞に供され
る。なお、コンデンサレンズ（10）は、照明光束を高効
率で投写レンズに入射し高輝度の投写画像を得るために
設けられている。

次に、液晶ライトバルブ（３）の構成と動作につい
て、第７図により説明する。

液晶（６）は２枚のガラス基板（７）に挟まれ、さら
に両側に偏光板（８），（９）を配している。電圧無印
加時Ｖ＝０（第７図（ａ））においては、入射側偏光板
（８）を透過した直線偏光（2a）は、液晶（６）を透過
する際に液晶の旋光性によって偏光方向が90゜回転し、
入射側偏光板（８）と偏光軸が直交するように配された
出射側偏光板（９）を透過する。一方、しきい値電圧Vt
h以上の電圧Ｖを印加する（第７図（ｂ））と、液晶の
旋光性が小さくなって、出射側偏光板（９）を透過する
光量が電圧の増加に伴って減少する。この様な透過率の
制御作用を利用し、さらに２次元アレイ状に電極を構成
することにより、２次元の画像表示素子が形成できる。
なお、上記液晶は旋光角が90゜のTN（Twisted Nemati
c）液晶をノーマリーホワイトモードで使用した例につ
いて説明した。液晶相の種類，旋光角の大きさ等につい
ては公知のごとく、上記の他にも変形例が知られている
が、本発明の主題に直接関係しないので説明を省略す
る。

さらに、第２の従来装置として、第８図に３枚の液晶
ライトバルブを用いた装置の光学系を示す。図におい
て、（１）は光源であり、具体的にはメタルハライドラ
ンプ，キセノンランプ，ハロゲンランプ等の白色光を発
生するランプ（120）と、回転対称な放物面の反射鏡（1
30）から成る。（２）は光源（１）を出射する照明光束
であり、第１の従来例と同様に円形の断面形状を有する
平行光束である。（14R），（14B）は色分離用ダイクロ
イックミラー、（15B），（15G）は色合成用ダイクロイ
ックミラー、（11），（12）はミラー、（3R），（3
G），（3B）は液晶ライトバルブ、（8R），（8G），（8
B）は入射側偏光板、（9R），（9G），（9B）は出射側
偏光板、（10R），（10G），（10B）はコンデンサレン
ズである。

次に、第２の従来装置の動作について説明する。

照明光束（２）は、放物面反射鏡の焦点位置に置かれ
た白色光源ランプ（120）を出射後、反射鏡（130）で反
射され、平行光束となって光源（１）を出射する。

ダイクロイックミラー（14R）は赤色光を反射し青・
緑光を透過する。また、ダイクロイックミラー（14B）
は青色光を反射し、緑色光を透過させる。従って、液晶
ライトバルブ（3G），（3B），（3R）には、各々緑・青
・赤の照明光束が照射される。液晶ライトバルブ（3
G），（3B），（3R）には、特に図示しない外部回路に
よって緑・青・赤の色光に相当する画像が形成され、照
射光をライトバルブ面内で透過変調する。液晶ライトバ
ルブ（3G），（3B），（3R）の出射光は、青色光を反射
するダイクロイックミラー（15B），緑色光を反射する
ダイクロイックミラー（15G）、及び反射ミラー（12）
によって合成光束（100）として投写レンズ（４）に入
射し、投写光束（110）としてスクリーン（５）上に結
像され、拡大されたカラー画像が鑑賞に供される。な
お、コンデンサレンズ（10R），（10G），（10B）は、
各々赤・緑・青色光を高効率で投写レンズ（４）に入射
させるために用いられる。また、各液晶ライトバルブ
（3R），（3G），（3B）の構成及び動作は、先に第７図
で説明したものと同様である。

［発明が解決しようとする課題］従来の投写型表示装置は、以上のように構成されてい
るので、第９図に（ｄ）で示したように反射鏡（130）
で反射されないで前方に発散する光束は殆ど液晶ライト
バルブ（３）に入射せず、光束の損失を増やし高輝度化
を妨げる要因となっていた。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、放物面鏡で反射されずに前方へ発散すること
により発生していた照明光束の損失を防止し、より高輝
度な画像表示が実現できる投写型表示装置を提供するも
のである。

［課題を解決するための手段］本発明に係る投写型表示装置は、矩形領域に画像を形
成するライトバルブと、このライトバルブに形成された
画像を拡大投写する投写レンズと、ライトバルブを照明
する光束を出射する光源手段よりなる光学系を有し、光
源手段は、ランプ、該ランプを焦点に配置する放物面
鏡、この放物面鏡と光軸を共有して対向し、かつ上記放
物面鏡の焦点と曲率中心点を共有点として以下の式を満
たすように上記放物面鏡と接合された球面鏡を備え、前
記球面鏡に設けられた矩形開口より前記光束を出射する
ことを特徴とする。

ｒ＝X1＋ｆ X2＝2f Y2＝Y1 ただし、ｒは球面鏡の曲率半径、X1は放物面鏡の頂点
からの深さ、X2は球面鏡の頂点からの深さ、Y1は放物面
鏡の開口の半径、Y2は球面鏡の開口の半径、ｆは放物面
鏡の焦点距離を示す。

また、放物面鏡と球面鏡が接合された内部に不活性ガ
スを気密封入したことを特徴とするものである。

［作用］上記の様に光軸を共有し、放物面鏡の焦点と球面鏡の
曲率中心とが共有点となるように対向配置し、かつ上記
放物面鏡と球面鏡を上記式を満たすように接合すること
により、コンパクトな構成を実現しつつ、従来放物面鏡
で反射されずに前方へ発散していた光束の一部を開口か
ら平行光束として出射させ、有効な照明光束とする作用
がある。

さらに光源から出射する光束はライトバルブと略相似
形状の矩形形状にできるので、表示面に到達する光束の
形状と表示面の形状を略一致させ、けられによる光束損
失を殆どなくすことができる。

さらに、放物面鏡と球面鏡とが接合された内部に不活
性ガスを封入することにより、ランプの電極やリード線
の酸化を防ぐことができる。

［実施例］本発明を図に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１実施例の説明図である。

図において、（120）はランプ、（130）は放物面鏡、
（140）は球面鏡、（141）は球面鏡に設けられた矩形開
口であり、図のｚ方向（照明光（２）の出射方向）から
みた場合、液晶ライトバルブ（３）の画像表示領域と相
似な矩形形状となっている。なお、放物面鏡（130）の
内面、及び球面鏡（140）の矩形開口（141）以外の内面
は反射鏡として作用するように、鏡面仕上げされ，必要
に応じて反射膜コーティングが施されている。

光源（１）は上記のランプ（120），放物面鏡（13
0），球面鏡（140），矩形開口（141）により構成して
いる。それ以外の構成要素は、第１の従来例を示す第６
図と同様である。

次に実施例の動作を説明する。

放物面鏡（130）と球面鏡（140）は、光軸を共有し、
放物面の焦点と球面の曲率中心が共有点となるように対
向配置されている。ランプ（120）はこの共有点位置に
発光中心（121）が位置するように配置されている。ラ
ンプ（120）を出射した光線は、放物面鏡（130）で直接
反射されて、１点鎖線で示した中心線（20）と平行な光
線として矩形開口（141）より出射するか、放物面鏡（1
30）と球面鏡（140）との間で反射されて矩形開口（14
1）より光軸（20）に平行な光線として出射する。この
状況について、光源（１）の内部を詳細に描いた第２図
で説明する。図において、斜線で示した放物面鏡（13
0）と球面鏡（140）の内面が反射鏡として作用する部分
であり、破線で示した部分（141）が矩形開口部であ
る。図中には３本の代表的な光線（ａ），（ｂ），
（ｃ）の挙動を示している。光線（ａ）はランプ（12
0）を出射後、放物面鏡（130）で反射され、矩形開口
（141）の端を通って出射する光線である。ランプ（12
0）の発光中心（121）は、一点鎖線で示した光軸（20）
に対して垂直な面で対向する放物面鏡（130）の焦点と
球面鏡（140）の曲率中心の共有点位置に置かれている
ので、光線（ａ）は光軸（20）に平行な照明光線（２）
となる。光線（ａ）よりも光軸（20）に近い点で放物面
鏡（130）で反射される光線は、光線（ａ）と同様に矩
形開口（141）より平行照明光束として出射する。光線
（ｃ）は、矩形開口より高い位置で球面鏡（140）に入
射し、反射後共有点（ランプ（120）の発光中心（12
1））を通って放物面鏡（130）に入射し、反射後光軸
（20）と平行な光線として矩形開口（141）より出射す
る。

以上の説明より明かなように、ランプ（120）から直
接矩形開口（141）内に入射する光線と、光線（ａ）よ
り高い位置で放物面鏡（130）に入射する光線（光線
（ｂ））以外の光線は、全て矩形開口（141）より光軸
（20）に平行で、断面形状が矩形の照明光束（２）とし
て出射される。照明光束（２）はコンデンサレンズ（1
0）を透過し、その直後に配置された液晶ライトバルブ
（３）に入射する。照明光束（２）は、液晶ライトバル
ブ（３）内の矩形表示領域の大きさにほぼ等しい矩形形
状光束として、照射されるよう矩形開口（141）の大き
さ及びコンデンサレンズ（10）と液晶ライトバルブ
（３）の配置関係が設定されている。また、コンデンサ
レンズ（10）を省略した光学系では照明光束（２）は平
行光束のままで液晶ライトバルブ（３）に入射するが、
この場合は平行照明光束（２）の断面形状がほぼ液晶ラ
イトバルブの矩形表示領域と等しい寸法に設定されてい
る。第１図で、液晶ライトバルブ（３）の透過光が、投
写レンズ（４）を透過後、投写光（110）なってスクリ
ーン（５）に拡大投写される点は従来装置と変わりな
い。

次に、光源（１）の作成法について述べる。

まず第１に、矩形開口（141）は、球面鏡（140）に設
けられた孔であれば、開口からの不要な反射等が防げる
ので好適である。放物面鏡（130）及び球面鏡（140）は
公知のようにAl等の金属を成型または切削するか、ガラ
ス材を成型して作られる。ガラス製の場合には、内面に
反射コーティングを施すのが適当である。液晶ライトバ
ルブ（３）側に不要な赤外線・紫外線が照射されるのを
防ぐには、放物面鏡（130）に対して、可視光（例えば
波長400〜700nm）のみを選択的に反射するコーティング
を施し、球面鏡（140）の矩形開口（141）以外の部分を
広帯域反射（例えば、200〜1000nmの波長範囲で反射率9
0％以上）するコーティングを施しておけばよい。

第２に、矩形開口（141）は、透明ガラス材料で作成
された球面鏡（140）に部分的に設けられた透過領域
（窓領域）として、必ずしも物理的に孔を開けなくても
よい。この場合、矩形開口部（141）は反射コーティン
グを施さず単なる透明ガラス窓としてもよいし、必要に
応じて可視光（波長400〜700nm）に対する無反射コーテ
ィングを施してもよい。矩形開口（141）以外の球面鏡
（140）の内面には、広帯域の反射コーティング（例え
ば、200〜1000nmの波長範囲で反射率90％以上）を施す
のが適当である。また、矩形開口部（141）のコーティ
ングに紫外線（波長400nm以下）・赤外線（波長700nm以
上）の反射機能をもたせて、液晶ライトバルブ（３）へ
の不要スペクトルの照射を防いでもよい。

第３に、放物面鏡（130）と球面鏡（140）を互いに対
向させ、第２図に示したように外周部（記号Ａで示す）
を溶着等の公知の方法で接合してもよい。この場合、上
記第２の構成のように矩形開口（141）を透明ガラスと
し、対向する放物面鏡と球面鏡の内部を公知の方法で気
密封止し、内部にN₂,Ar等の不活性ガスを封入しておけ
ばランプ（120）の特に図示しない電極及び電極と駆動
回路をつなぐリード線の酸化を防げるので長寿命化に有
効である。第３図で、気密封止するための、放物面及び
球面（内面）の形状決定方法を説明する。第３図で、下
記〜式が成立する。

X₁＋X₂＝ｆ＋ｒ・・・・ Y₁＝Y₂ ・・・・ Y₁ ²＝4fX₁ ・・・・ r²＝（X₁−ｆ）^２＋Y₁ ² ・・・・但し、X₁は放物面鏡の頂点からの深さ、X₂は球面鏡の
頂点からの深さ、Y₁は放物面鏡の開口の半径、Y₂は球面
鏡の開口の半径、ｆは放物面鏡の焦点距離、ｒは球面鏡
の曲率半径である。

放物面鏡のパラメータ（f,X₁,Y₁）が与えられている
とすると、、、式よりY₁,X₂を消去することによ
り式が得られる。

r²＝（X₁＋ｆ）^２・・・・ここでｒは正の値とするので、式の解は、ｒ＝X₁＋ｆ・・・・となる。また、式を式に用いると X₂＝2f ・・・・となる。式の半径ｒと、式のX₂、式のY₂というパ
ラメータの球面鏡（140）を用いることにより、上記の
ように外周部で接合され対向した放物面鏡及び球面鏡が
得られる。

［数値例］ｆ＝12.5mm,Y₁＝46.5mm,X₁＝43.245mmなる放物面鏡を
用いると、、、式より、球面鏡は、ｒ＝55.745m
m,Y₂＝46.5mm,X₂＝25.0mmとなる。

なお、第３図の右側には、球面鏡の平面図を示した。
矩形開口（141）は、平面図上で長辺H,短辺Ｖの寸法を
有している。H:Vは液晶ライトバルブ（３）の有効表示
領域の長辺：短辺比にほぼ等しくなっている。

［他の実施例］次に、本発明の第２の実施例を第４図により説明す
る。

本実施例は、第２の従来例を示す第８図の光学系に第
１の実施例を示す第１図と同様の放物面鏡（130），球
面鏡（140），共有点位置に発光中心（121）が配置され
たランプ（120），矩形開口（141）よりなる光源（１）
を適用した例である。第１の実施例と同様に、矩形開口
（141）から断面形状が矩形の照明光束（２）が出射
し、ダイクロイックミラー（14R）以降の光学系に入射
する。また、液晶ライトバルブ（3R），（3G），（3B）
の有効表示領域の大きさと、照射光束の寸法が略一致す
るように矩形開口（141）の大きさ、及びコンデンサレ
ンズ（10R），（10G），（10B）、液晶ライトバルブ（3
R），（3G），（3B）の位置関係が設定される。本例で
も第１実施例と同様に、ランプ（120）から前方に発散
して損失となっていた光束の一部が平行照明光束として
有効利用され、高輝度化が実現できる利点は同じであ
る。なお、光源（１）以外は第２の従来例で説明をした
ので省略する。

本発明の各実施例は液晶ライトバルブとして透過型の
ものを使用しているが、反射型液晶ライトバルブを使用
した装置も公知である。第５図に、本発明の光源（１）
を反射型液晶ライトバルブ（３）を用いた光学系に適用
した第３の実施例を示す。第１及び第２の実施例と同様
に、放物面鏡（130）、矩形開口（141）を有する球面鏡
（140）、共有点に発光中心（121）が配置されたランプ
（120）からなる光源（１）から出射する矩形断面の照
明光束（２）は、偏光ビームスプリッタ（200）で反射
されて液晶ライトバルブ（３）側に向かうＳ偏光の照明
光となる。反射型ライトバルブに入射した光束は、画素
に電圧が印加されていない場合には下側のガラス基板
（７）に設けられた反射鏡で反射されて液晶から出射す
る際に偏光面が90゜回転するが、画素にしきい値以上の
電圧Ｖが印加されていると上記旋光作用が小さくなる。
一方、液晶ライトバルブの反射光は偏光ビームスプリッ
タ（200）を透過後、投写レンズ（４）側に向かう光束
（100）となる。偏光ビームスプリッタ（200）はＰ偏光
を透過し、これと偏光面の直交するＳ偏光は反射する特
性を有するので、液晶ライトバルブの画素への印加電圧
の強弱に応じて光束断面内の透過率が変調されて画像情
報となる。投写レンズ（４）を出射した光束（110）
は、従来例と同様にスクリーン（５）上に拡大投写され
る。

以上述べた反射型ライトバルブを用いた実施例でも、
透過型の場合と同様に、液晶ライトバルブ（３）の画像
表示面は矩形であり、第１、第２実施例と同様に、光源
（１）の効果により高輝度化が可能である。以上の実施
例では液晶ライトバルブとして、液晶の旋光性を利用し
た方式について説明した。このほかにも液晶の複屈折を
電気的に制御する方式、例えばECB（electrically cont
rolled birefringence）形等も公知であり、旋光性以外
の光学的表示メカニズムを持つ液晶ライトバルブを用い
た投写型表示装置にも、本発明が適用出来ることもちろ
んである。また、ライトバルブの枚数も３枚に限らず３
枚以上、あるいは１〜２枚でも問題なく適用できる。

以上のことから明らかなように、本発明の主な特徴を
列記すると次のとおりである。

（１）矩形開口は、球面鏡の一部に設けられ、光軸方向
からみた形状が矩形孔であること。

（２）矩形開口は、球面鏡の一部に設けられた透明部で
あり、前記光軸方向からみた形状が矩形であること。

（３）放物面鏡、及び球面鏡は各々光軸に対して回転対
称であり、互いに外径が等しく、密閉構造となるよう対
向して貼合わせられていること。

［発明の効果］以上詳述したように、本発明の投写型表示装置によれ
ば、光軸を共有し、かつ放物面鏡の焦点と球面鏡の曲率
中心とが共有点となるように対向配置し、かつ上記放物
面鏡と球面鏡を以下の式を満たすように接合することに
より、コンパクトな構成を実現しつつ、従来放物面鏡で
反射されずに前方へ発散していた光束の一部を開口から
平行光束として出射させ、有効な照明光束とする作用が
ある。

ｒ＝X1＋ｆ X2＝2f Y2＝Y1 ただし、ｒは球面鏡の曲率半径、X1は放物面鏡の頂点
からの深さ、X2は球面鏡の頂点からの深さY1は放物面鏡
の開口の半径、Y2は球面鏡の開口の半径、ｆは放物面鏡
の焦点距離を示す。

さらに、放物面鏡と球面鏡とが接合された内部に不活
性ガスを封入することにより、ランプの電極やリード線
の酸化を防ぐことができ長寿命化となる。この結果、高
輝度な投写画像の投写型表示装置が実現可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の説明図、第２図は本発
明に用いられる光源の詳細説明図、第３図は本発明の投
写型表示装置の光源を構成する、対向した放物面鏡及び
球面鏡の設計法及び矩形開口の形状を説明する図、第４
図は本発明の第２の実施例の説明図、第５図は本発明の
第３の実施例の説明図、第６図は従来の投写型表示装置
の第１の構成図、第７図は液晶ライトバルブの動作原理
の説明図、第８図は従来の投写型表示装置の第２の構成
図、第９図は従来装置の問題点である光束損失の説明図
である。図において、（３），（3R），（3G），（3B）は液晶ラ
イトバルブ、（４）は投写レンズ、（１）は光源手段、
（120）はランプ、（130）は放物面鏡、（140）は球面
鏡、（141）は矩形開口、（121）は発光中心である。なお、各図中同一符号は同一、または相当部分を示す。

フロントページの続き (72)発明者都出英一京都府長岡京市馬場図所１番地三菱電機株式会社電子商品開発研究所内 (72)発明者木田博京都府長岡京市馬場図所１番地三菱電機株式会社電子商品開発研究所内 (56)参考文献実開昭64−10724（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−123881（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03B 21/00 G03B 21/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形領域に画像を形成するライトバルブ
と、該ライトバルブに形成された画像を拡大投写する投写レ
ンズと、前記ライトバルブを照明する光束を出射する光源手段よ
りなる光学系を有する投写型表示装置において、前記光源手段は、ランプ、該ランプの発光部を焦点に配
置する放物面鏡、この放物面鏡と光軸を共有して対向
し、かつ前記放物面鏡の焦点と曲率中心点を共有点とし
て以下の式を満たすように前記放物面鏡と接合された球
面鏡を備え、前記球面鏡に設けられた矩形開口より前記
光束を出射することを特徴とする投写型表示装置。ｒ＝X1＋ｆ X2＝2f Y2＝Y1 ｒは球面鏡の曲率半径、X1は放物面鏡の頂点からの深
さ、X2は球面鏡の頂点からの深さ Y1は放物面鏡の開口の半径、Y2は球面鏡の開口の半径、
ｆは放物面鏡の焦点距離
【請求項２】前記放物面鏡と前記球面鏡が接合された内
部に不活性ガスを気密封入したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の投写型表示装置。