JP3182863B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透過あるいは散乱によ
り光束変調を行なう液晶複合素子を用いたライトバルブ
を利用して、画像をスクリーン上に拡大表示する投射型
液晶表示装置の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルの映像を拡大表示する液晶プ
ロジェクターにおける課題の一つに、光源光の高効率な
利用ということがある。初期の液晶プロジェクターは偏
光制御素子を用いる方式のために、光源光の半分は捨て
られていたので光束の利用効率が非常に低かった。最
近、高分子中に液晶を分散させ入射光を散乱度合で変調
するＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ
Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる新モードの
光変調材料が開発され、このモードでは光源光を偏光化
する必要がないので、光束の利用効率が高く、非常に注
目されている。このモードを用いた液晶プロジェクター
の光学系として、例えばＳＩＤ ９０ ＤＩＧＥＳＴの
２２７〜２３０頁に示されるものがある。

【０００３】図１に示すように、光源装置１０を出たほ
ぼ平行な光束は、ライトバルブ１１で変調される。ライ
トバルブ１１を透過した透過光１６は、集光レンズ１２
によって絞り１３の開口部に集められ、そこを通過した
光は投射レンズ１４によってスクリーン１５上に結像さ
れる。一方、ライトバルブ１１で散乱させられた散乱光
１７は、そのほとんどが絞り１３の開口部を外れてしま
うため、スクリーン１５には到達しない。この照明装置
内の構成は特に記載されていないが、一般には図２に示
すような、光源ランプ２０とこの光源ランプ２０からの
放射光束を平行光２２に変換する放物面反射鏡２１が用
いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述の従来技術
において、照明装置として光源ランプと放物面反射鏡を
用いて実施したところ、ライトバルブの透過光をすべて
通過させるような大きさの開口面積を持つ絞りを設ける
と、散乱光もある程度透過してしまい、投射画像のコン
トラスト比が低く表示品質が低かった。

【０００５】絞りの開口面積を小さくすることで、コン
トラスト比をある程度まで上げることが可能であった
が、表示映像の明るさがかなり低下してしまい、さらに
絞りの開口面積を小さくしても、コントラスト比は高く
ならなかった。また、表示画面の中心部のコントラスト
比が周辺部に比べて低いという問題点があった。

【０００６】そこで、本発明はこのような問題点を解決
するもので、その目的とするところは、コントラスト比
が高くて均一な高品位映像を表示し、しかも光源光の利
用効率が高い投射型表示装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の投射型表示装置
は、照明装置と、前記照明装置からの光束を変調する変
調手段と、前記変調手段によって変調された光束をスク
リーン上に投射する投射光学系と、を有する投射型表示
装置において、前記照明装置は、光源ランプと、前記光
源ランプから出射された光を集光して複数の２次的な光
源を形成する第１のレンズ群と、前記複数の２次的な光
源が形成される位置に配置された第２のレンズ群と、を
備え、前記変調手段は、前記照明装置から出射された光
束を散乱度合で変調する液晶複合素子を用いたライトバ
ルブであり、前記投射光学系の内部または近傍には絞り
機構が設けられ、前記投射絞り機構は複数の開口部を有
し、前記開口部の形状は、前記絞り機構を含む面内に形
成される前記複数の２次的な光源の像の外形とほぼ一致
していることを特徴とする。

【０００８】また、本発明の投射型表示装置において、
前記照明装置の前記複数の２次的な光源が形成される部
分には、前記複数の２次的な光源の各々の周辺部の一定
輝度値以下の部分を遮蔽するマスクが設けられ、前記マ
スクと前記絞り機構の開口部の形状を相似形としたこと
を特徴とする。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【実施例】以下、本発明による投射型表示装置につい
て、図面に基づき詳細に説明する。

【００１２】（実施例１）本発明の投射型表示装置にお
ける光源装置の構成を図３に示す。光源ランプ２０は、
ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドラン
プなど点に近い光源を用いる。この光源ランプ２０は、
楕円面反射鏡３０の第１焦点位置に光源が配置されてい
るので、放射光束３４は楕円面反射鏡３０で反射されて
第２焦点３６に向かう。第２焦点３６位置の光束は、光
源が完全な点ではないため、ある程度の大きさになり、
２次的な光源（以下２次光源と称す）となる。第２焦点
３６付近に一旦集束した光束は、再び広がってコリメー
トレンズ３３を通過し平行光３５となる。

【００１３】図４は、全体の光学系を示す構成図であ
る。図３で説明した光源装置４０から出た平行光束３５
は、ライトバルブ１１に入射する前に集光レンズ４１を
通って投射レンズ１４に効率よく集まるように集光され
る。ライトバルブ１１は、入射光束を透過あるいは散乱
で変調する方式であり、完全に透過した光束は投射レン
ズ１４内にある入射瞳を通過し、散乱された光束１７は
そのほとんどが入射瞳を外れる。入射瞳を通過した光束
４２はスクリーンへ向かう。

【００１４】表示画像のコントラスト比は、ライトバル
ブ１１が透過（オン）の状態で入射瞳を通過する光束量
とライトバルブが散乱（オフ）の状態で入射瞳を通過す
る光束量の比できまる。そこで、コントラスト比を高く
するために、入射瞳の位置に絞り４３（以下投射絞りと
称す）を配して、オンの場合の透過光量がさほど低下し
ない程まで開口面積を小さくし、コントラスト比が高く
なるようにする。

【００１５】基本的には従来光学系の構成と同じである
が、この場合は入射瞳の位置あるいはその近傍に、光源
装置内の２次光源の像が形成される。この２次光源の像
は、その周辺部は中心に比べて暗いので、投射絞り４３
の開口部の形状は、２次光源の像全体の大きさよりも幾
らか小さめの円形にすることで、比較的高いコントラス
ト比が得られて明るさもさほど低下しない最適な形状と
なる。

【００１６】このときライトバルブ１１がオン状態にお
いて、投射絞り４３で遮られる光束は、有効に利用でき
ないだけでなく、ライトバルブ１１がオフのときに散乱
されて、散乱光の一部が絞りを通過してコントラスト比
を低下させてしまう。そこで、この有害な光束を除くた
めに、図３において示すように絞り３１（以下光源絞り
と称す）によって、２次光源の周辺部の光束は予めカッ
トしておけばよい。

【００１７】この光源絞り３１の開口部３２は単に開口
しているだけでは、表示画像の照度にむらを生じてしま
う。そこで、開口部３２は光束をある程度散乱させるよ
うに、例えば表面を梨地状に処理した板ガラスや、いわ
ゆるインテグレータのような複合レンズを配すればよ
い。そうすることで、ある程度表示画像が暗くなるもの
のコントラスト比は一定のままで照度分布を均一にする
ことができる。

【００１８】光源絞り３１には、図５に示すように開口
部５１の大きさが変化する絞り機構を用いることができ
る。この絞り機構は、一般的なカメラレンズに使用され
るようなもので、機械的に操作することにより、開口部
５１をほぼ円形に保ったまま面積を変化させることがで
きる。可動部５０は、熱的に変形しないように光を反射
するものを表面に形成しておけばよい。

【００１９】このとき、図４における投射レンズ１４内
の投射絞り４３も同様な絞り機構で構成し、そこにでき
る２次光源の像にぴったり合わせるようにする。

【００２０】上述のような絞り機構を用いた構成におい
て、実際の装置を作製しその特性を調べた。絞り機構の
開口面積と投射絞りを通過する光束（スクリーン上での
光束）の関係は、図６（Ａ）に示す。ライトバルブがオ
ンの場合の通過光量は、投射絞りの開口部の半径を大き
くすることによって徐々に増加し、やがて飽和する。こ
れに対し、ライトバルブがオフの場合は、散乱光である
ため単調に増加していく。図中６０で示したのは、光源
側と投射レンズ側の絞り機構を同期して変化させた場合
で、光源側の絞り機構がない場合の通過光量６１よりも
小さくなっている。

【００２１】この結果から、オンとオフの通過光量の比
でコントラスト比を計算したのが図６（Ｂ）である。６
２は両方の絞り機構を用いた場合で、６３は投射レンズ
内の絞り機構のみ用いた場合である。両方の絞り機構を
用いると、絞りの半径を小さくすることで明るさは落ち
ていくものの、コントラスト比はどんどん高くなってい
くことがわかった。これに対し投射レンズ側の絞り機構
のみでは、比較的コントラスト比が低く、またある値で
飽和することがわかった。なお、この測定では光源絞り
の開口部には散乱性の部材を配していない。

【００２２】この様に、２つの絞り機構を用いることで
コントラスト比を高くすることが可能である。例えば明
るい場所で本発明の投射型表示装置を用いる場合、外光
が多くコントラスト比よりも明るさが優先されるので、
絞りの開口面積を比較的大きくしてやればよい。暗い部
屋では、明るさよりもコントラスト比が重要になるので
絞りの半径を小さくしてやればよい。

【００２３】（実施例２）次に、複数個の２次光源が形
成される場合について説明する。

【００２４】光学系の全体構成を、図７に示す。光源ラ
ンプ２０から放射された光束は、放物面反射鏡２１によ
って反射され、ほぼ平行な光束に変換される。第１レン
ズ群７０は、図８（Ａ）に示すように、ここでは１３個
の矩形にカットされた複数のレンズによって構成されて
いる。各レンズの形状は、ライトバルブ１１の形状と相
似形である。また、この第１レンズ群７０は、光源の反
対側から見ると放物面反射鏡２１のリム８０内に含まれ
るように配されている。

【００２５】また、第２レンズ群７１は図８（Ｂ）に示
すように、第１レンズ群と同様に、１３個の矩形にカッ
トされたレンズで構成される。第１レンズ群７０の各レ
ンズの焦点距離ｆは、第１レンズ群７０と第２レンズ群
７１の距離ａに等しく、第１レンズ群７０の各レンズに
入射する光束を、第２レンズ群の対応する各レンズに集
光する。この時、第２レンズ群７１の各レンズ面には、
図８（Ｂ）に示すように、１３個の２次光源８１が形成
される。この図では、光源ランプがメタルハライトラン
プのような円筒光源の場合として、中心に対し放射状に
形成される２次光源８１を示してある。

【００２６】第２レンズ群７１は、その焦点距離ｆ’
が、図８（Ｂ）中に示す関係で構成され、第２レンズ群
７１の各レンズは、第１レンズ群７０の各レンズの矩形
像を相似形であるライトバルブ１１に重ねる。従って、
これら二つのレンズ群は、放物面反射鏡の各部で反射さ
れた光束をライトバルブ１１上で混合するインテグレー
タとして働いている。

【００２７】集光レンズ４１は、入射する光束を投射レ
ンズ１４に効率よく集めるために、次のような焦点距離
ｆ”となっている。

【００２８】ｆ”＝ｂｃ／（ｂ＋ｃ） ここで、ｂは第２レンズ群７１と集光レンズ４１の距離
で、ｃは集光レンズ４１と投射レンズ１４の見かけ上の
入射瞳位置の距離である。

【００２９】投射レンズ１４内の入射瞳位置には、投射
絞り４３が配置されており、その位置に形成される２次
光源の像がすべて通過するように、図９に示されるよう
な形状をしている。投射絞り４３の開口部９０は、図８
（Ｂ）における２次光源８１と相似形状となっているた
め、ライトバルブ１１の散乱光が投射絞り４３の開口部
９０を透過する光量は最小に抑えられ、投射映像のコン
トラスト比は高くなる。

【００３０】各レンズ群の構成は、この他にもいろいろ
考えられる。光源ランプの発光部が光軸方向に比較的長
い場合は、図８（Ｂ）に示された構成においては、２次
光源８１が図で示したよりも長くなり、各レンズを外れ
た光束は損失となってしまう。

【００３１】そこで第２レンズ群を、図１０（Ｂ）のよ
うな、光軸対称の構成にすれば２次光源８１が各レンズ
におさまり、ロスがないので高効率の照明が行える。

【００３２】図１０（Ｂ）では、９分割の構成であるた
め、第１レンズ群も９分割とし、例えば図１０（Ａ）の
様な構成とする。それぞれのレンズ７０ａ〜７０ｉはラ
イトバルブ１１と相似な形状であり、各レンズを通過し
た光束は、図１０（Ｂ）の対応するレンズ７１ａ〜７１
ｉに入射される。この場合図１０（Ａ）に示した斜線部
分１００にある光束はこのままでは損失となってしまう
ので、全反射ミラーで構成し、光源からの光束を反射し
光源側へ戻してやれば、一旦光源ランプの発光部に戻っ
てから有効に利用されることになる。図１０（Ａ）で
は、レンズ７０ａの上下左右に隙間があるが、レンズ７
０ｂ，７０ｄ，７０ｆ，７０ｈを中心に寄せてやること
もできる。

【００３３】ところで、図８（Ｂ）に示される２次光源
８１の輝度は、光源ランプの発光部の輝度分布にほぼ対
応しており、またこの２次光源は発光部の完全な像とは
なっていないため、各２次光源の周辺部は、比較的輝度
が低い。そこで、一定輝度値以下の部分はマスクによっ
て遮弊し、そのマスクの形状と投射絞り４３の形状を相
似形とすればよい。そうすることによって、実施例１の
場合と同様に投射映像のコントラスト比を向上させるこ
とができる。

【００３４】また、図７に示されるように、第２レンズ
群７１の近傍と投射絞り４３の近傍にスライドシャッタ
ー７２，７３を設けることで、映像のコントラスト比の
調整が可能である。ふたつのスライドシャッター７２，
７３は、第２レンズ群７１上の２次光源と投射絞り４３
の開口部の形状が常に相似形状となるように動かされ
る。このとき、ほぼ次の関係が成り立つ。

【００３５】［投射絞りの開口面積］×［映像のコント
ラスト比］＝［一定値］ 従って、実施例１でも述べたように、明るさよりもコン
トラスト比が重要な場合は、投射絞り４３の開口面積を
減少させればよいことになる。

【００３６】ライトバルブ１１をカラーフィルタ付きの
液晶パネルで構成すればカラー表示が可能であるが、明
るさが約３分の１になってしまう。そこで、次に３枚の
ライトバルブを用いたカラー投射型表示装置の構成につ
いて説明する。

【００３７】構成模式図を図１１に示す。光源ランプ２
０から放射される光束は、放物面反射鏡２１によって平
行化され、第１レンズ群７０に入射する。透過した光束
は青色緑色反射ダイクロイックミラー１１０によって、
赤色光は透過し、緑色光と青色光は反射される。それぞ
れの光束は第２レンズ群７１に入射し、第１レンズ群７
０の各レンズの像をライトバルブ１１に結像させる。

【００３８】赤色光束は、次に全反射ミラー１１３，１
１５，１１６に反射されて集光レンズ４１を経て、ライ
トバルブ１１に達する。緑色光は全反射ミラー１１１に
反射され、次に緑反射ダイクロイックミラー１１２に反
射され、さらに全反射ミラー１１３で反射され、集光レ
ンズ４１を経て対応するライトバルブ１１に達する。青
色光は、全反射ミラー１１１に反射され、緑色反射ダイ
クロイックミラー１１２を透過し全反射ミラー１１４に
反射され、他の色光と同様に集光レンズ４１を経て、ラ
イトバルブ１１に入射する。

【００３９】３枚のライトバルブ１１は、それぞれの色
光を変調し、各色に対応した映像情報を含ませる。キュ
ーブプリズム１１７は、それぞれの変調光束を合成する
もので、赤色反射の誘電体多層膜と青色反射の誘電体多
層膜を十字状に含んでいる。

【００４０】投射絞り４３は、ここでは投射レンズ１４
内ではなく、その手前に配置してある。従って、集光レ
ンズ４１のパワーは、この投射絞り４３の位置に２次光
源の像が形成されるように設定してある。投射絞り４３
を通過した光束は、投射レンズ１４を通過してスクリー
ン上に映像を形成する。

【００４１】もちろん先に述べたスライドシャッターを
第２レンズ群７１と投射絞り４３の位置に配置すれば、
映像のコントラスト比を可変とすることができる。

【００４２】また、各レンズ群の配置はこの他にも考え
らる。例えば図１１で第２レンズ群７１のある位置に第
１レンズ群を配置し、それぞれを通過した光束が、全反
射ミラー１１１，１１３で反射されたところの位置にそ
れぞれ第２レンズ群を配してもよい。当然この他の光学
系であっても等光路長の光学系であればこの方式を応用
することができる。

【００４３】ここで説明した光学系では、色光の合成に
キューブプリズムを用いたが、プリズム内に形成された
誘電体多層膜では、板ガラスに形成された誘電体多層膜
に比べて、ｐ−偏光とｓ−偏光に対する特性差が大き
い。ライトバルブ１１は、ここでは両偏光を用いる、す
なわち光を散乱度合で変調するタイプのライトバルブで
あるため、偏光特性に差のあるキューブプリズムを用い
ると光束のロスが生じやすい。これを避けるには、光源
ランプとして、いわゆる３波長発光タイプのメタルハラ
イドランプを用いればよい。３波長発光タイプでは、Ｒ
ＧＢの各原色光に対応する発光スペクトルがナローバン
ドであるため、キューブプリズムの両偏光特性に差のな
い部分を使用することができ、全ての光束を有効に使用
することが可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、光源
装置内に形成される２次光源の像を投射レンズ付近に形
成し、投射絞りの形状をこの２次光源の像に合わせるこ
とによって、コントラスト比の高い高品位な映像を表示
することができる。

【００４５】また、光源装置内に光源絞りを設け、２次
光源の一部を捨て去ることによって、さらにコントラス
ト比を高くすることができる。

【００４６】さらに、光源絞りの開口面積と投射絞りの
開口面積の大きさを可変とする機構を設け、それぞれの
開口部の形状が常に相似形状となるように変化させるこ
とによって、コントラスト比を任意に設定することので
きる投射型表示装置を実現することができる。

【００４７】例えば、コントラスト比よりも映像の明る
さが見やすさの条件となる比較的明るい場所では、明る
い映像を得ることができ、一方、明るさよりもコントラ
スト比が見やすさの条件となる暗い場所では、コントラ
スト比の高い映像を表示することが可能である。従っ
て、一つの投射型表示装置を様々な用途に使用すること
ができ、利用価値が高まる。

【００４８】また、具体的には光源装置内に複数の２次
光源を形成して各２次光源によってライトバルブを照射
し、同じように投射絞りの形状を２次光源の形状と相似
とすることによって、コントラスト比が高くてしかも表
示面内で均一であり、さらに照度分布がきわめて均一で
表示の色むらが充分少ない、非常に高品位な映像を表示
することが可能である。

【００４９】この場合も２次光源の利用部分を可変と
し、同時に投射絞りの開口部を変化させることによっ
て、コントラスト比可変の便利な投射型表示装置を提供
することができる。コントラスト比が比較的低い状態で
は、光源光の利用効率が極めて高くなっており、この方
法を用いれば低消費電力で明るい投射型表示装置を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の投射型表示装置の光学系構成を示す
図。

【図２】 従来の投射型液晶表示装置における光源装置
の構成を示す図。

【図３】 本発明の投射型表示装置における光源装置の
構成を示す図。

【図４】 本発明における投射型表示装置の光学系構成
を示す図。

【図５】 本発明の投射型表示装置に使用する絞り機構
の構造を示す図。

【図６】 （Ａ）は、絞りを通過する光量と絞りの半径
の関係を示す図。（Ｂ）は、投射映像のコントラスト比
と絞りの半径の関係を示す図。

【図７】 本発明における投射型表示装置の光学系構成
を示す図。

【図８】 （Ａ）は、光源装置に使用する第１レンズ群
の構成を示す図。（Ｂ）は、光源装置に使用する第２レ
ンズ群の構成を示す図。

【図９】 本発明の投射型表示装置に使用する投射絞り
の形状を示す図。

【図１０】 （Ａ）は、光源装置に使用する第１レンズ
群の構成を示す図。（Ｂ）は、光源装置に使用する第２
レンズ群の構成を示す図。

【図１１】 本発明における投射型表示装置の光学系構
成を示す図。

【符号の説明】

１０ 光源装置 １１ ライトバルブ １４ 投射レンズ １５ スクリーン ２０ 光源ランプ ２１ 放物面反射鏡 ３０ 楕円面反射鏡 ４１ 集光レンズ ４３ 投射絞り ７０ 第１レンズ群 ７１ 第２レンズ群 ７２，７３ スライドシャッター １１７ キューブプリズム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02B 27/18

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明装置と、前記照明装置からの光束を
   変調する変調手段と、前記変調手段によって変調された
   光束をスクリーン上に投射する投射光学系と、を有する
   投射型表示装置において、 前記照明装置は、光源ランプと、前記光源ランプから出
   射された光を集光して複数の２次的な光源を形成する第
   １のレンズ群と、前記複数の２次的な光源が形成される
   位置に配置された第２のレンズ群と、を備え、 前記変調手段は、前記照明装置から出射された光束を散
   乱度合で変調する液晶複合素子を用いたライトバルブで
   あり、 前記投射光学系の内部または近傍には絞り機構が設けら
   れ、 前記絞り機構は複数の開口部を有し、前記開口部の形状
   は、前記絞り機構を含む面内に形成される前記複数の２
   次的な光源の像の外形とほぼ一致していることを特徴と
   する、投射型表示装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の投射型表示装置におい
   て、 前記照明装置の前記複数の２次的な光源が形成される部
   分には、前記複数の２次的な光源の各々の周辺部の一定
   輝度値以下の部分を遮蔽するマスクが設けられ、 前記マスクと前記絞り機構の開口部の形状を相似形とし
   たことを特徴とする、投射型表示装置。