JPH10232379A - 投射型光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超小型の投射型光学装置を得る。 【解決手段】光源１、反射鏡２、均一化レンズ３、ダイ
クロイックミラー５、６、投射レンズ１０、１２、１
３、筐体１４を備え、反射面９を持つ液晶表示素子８の
表示面の中心光軸と照明光軸の交差角度γを５°、結像
光軸と中心光軸の交差角度δを５°、表示面の入射中心
点から開口絞り４を見込む角αを５°、出射中心点から
開口絞り１１を見込む角βを５°、コリメータレンズ７
の焦点距離ｆ_C を１００ｍｍとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透過散乱型の表示
素子を反射式で構成した投射型光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投射型光学装置は画像を一定の距離だけ
離れたスクリーンに投射し、直視型の光学装置に比べて
大きな投射画像を得ることを目的とする。例えば、映写
機も基本的に同様の構造を備えている。つまり、光源か
ら供給される強い光を画像データで変調し、レンズ光学
系を経て、投射する投射光学装置の構造が古くから知ら
れていた。

【０００３】また、投射型光学装置に用いる光変調手段
として種々の光学素子がある。散乱性を有する光学素子
としては、サスペンジョンディスプレイ素子、レーザ書
き込みモード液晶素子やダイナミック・スキャタリング
（ＤＳＭ）の液晶素子などが従来から知られていた。

【０００４】ＳＩＤプロシーディングズ Ｖｏｌ．１８
／２ 第２クオーター１９７７，１３４〜１４６頁「ラ
イトバルブのためのプロジェクションシステム」（従来
例１）に各種の光変調手段とシュリーレン光学系とを組
み合わせた投射光学装置に関する説明が開示された。光
変調手段として、ＰＬＺＴや液晶素子が例示され、シュ
リーレン光学系と組み合わせた投射光学装置であり、従
来例１の図８〜１０に反射モードの構成が示された。

【０００５】また、新しい動作モードを持つ液晶素子を
投射型光学装置に用いた発明が特開平５−１９６９２３
号公報（従来例２）や、特開平７−５４１９公報（従来
例３）に示された。この従来例２、３に採用された液晶
素子は液晶／高分子複合体素子、高分子／分散型液晶素
子、または単に分散型液晶素子（以後、ＬＣ／ＰＣとも
呼ぶ）などと呼ばれ、電界駆動で高い散乱性能と透過率
を有し、従来の偏光板を内蔵する光吸収型のツイスト・
ネマチック（ＴＮ）液晶素子やスーパーツイストネマチ
ック（ＳＴＮ）液晶素子よりも明るく、コントラストの
高い表示を行いうる。

【０００６】従来例２では、ＬＣ／ＰＣを反射型液晶表
示素子として構成し、反射型の投射型液晶光学装置を形
成した。従来例３では、デルタ型に配置した２枚のダイ
クロイックミラー面を挟むように配置した３枚の反射型
ＬＣ／ＰＣ素子によって、投射表示を行っている。

【０００７】また、透過散乱型の液晶光学素子を反射型
素子として用い、白色光源をＢＧＲの３色に色分離した
後、各々の色光を変調する３個の反射型表示素子を用い
たカラ−投射型液晶表示装置が知られていた（例えば、
特開平４−１４２５２８号公報（従来例４）の第５図、
特開平４−２３２９１７号公報（従来例５）の第１
図）。

【０００８】これらの公知例ではいずれも、光源光学系
の集光鏡として楕円鏡を用い、光源光学系から出射され
た発散光を１個の凸レンズによって平行光化した後３個
の透過散乱型液晶光学素子の反射型素子へと入射してい
る。ここで、色分離合成系として互いに４５°で交差す
るダイクロイックプリズムが平行光化用凸レンズと反射
型素子との間に配置されて用いられた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これらの公知例におい
て、投射レンズと平行光化用凸レンズおよび照明光学系
と平行光化用凸レンズとの間に空間が必要となり、投射
型液晶表示装置の容積の増大を招く。

【００１０】また、反射型液晶光学素子の入射光と反射
光は同一光軸ではなく、反射型液晶光学素子の反射面に
対してある角度で入射し反射するので、反射型液晶光学
素子の有効面に対応して光を損失なく利用するには、色
分離合成系および平行光化用凸レンズの有効面が反射型
液晶光学素子の反射面に比べ大きな面積を要する。

【００１１】さらに、液晶表示素子を用いる投射型表示
装置においては、その結像光学系の投射レンズを設計す
る際に、投射画面を光学装置の置かれる水平面よりも高
い方向に投影できるように偏心光学設計をすることが一
般的である。このため、液晶表示素子の有効画面の中心
位置が投射レンズの光軸と離れるので、投射レンズの設
計有効画面サイズを液晶表示素子の有効画面サイズより
も大きくして設計する必要がある。

【００１２】さらに、反射型の投射型表示装置の場合、
前述のように照明光学系と結像光学系が反射型液晶表示
素子に対して同一側に配置されるため、一般的にはこの
偏心光学設計が必要となり、投射レンズの有効画面サイ
ズは液晶表示素子の有効画面サイズをかなり大きくする
必要がある。

【００１３】この場合、投射レンズは液晶表示素子の画
面中心と同軸の設計をするときよりも大きくなり、光学
系も複雑になり、容積・重量・コストの増大を招きやす
い。また、無理に小型化しようとすれば照明光学系と結
像光学系が空間的配置で干渉し合う問題も引き起こす。

【００１４】これらの課題を避けるための一手段とし
て、照明光学系の入射／反射角度を大きくとることが考
えられるが、反射型液晶表示素子に入射する角度が大き
くなり、透過散乱型の液晶表示素子の優れた透過・散乱
効果が期待できなくなる。この場合、この入射／反射角
度を小さくするために、光路変更プリズムを反射型液晶
表示素子の直前に付加することも考えられるが、より光
学系が複雑かつ高価になる。そして、透過または反射光
の光量減、光学的収差増大等による性能低下が予想され
る。

【００１５】別の手段として、少なくとも一方の光学系
の光路を折り曲げることにより、機械的干渉をさけるこ
とも考えられるが、今度は光学系を折り曲げる反射鏡や
プリズム等が機械的干渉を引き起こしやすくなる問題が
生じる。

【００１６】また、反射型液晶素子の画素密度も近年は
ＶＧＡ( ６４０＊４８０）〜ＳＶＧＡ( ８００＊６０
０) 、〜ＸＧＡ( １０２４＊８６８) とだんだん高精細
のものが要求される一方で、一層の小型軽量化が要求さ
れている。この両者を満足するためには、液晶表示素子
が小型でかつ画素密度が大きい、すなわち、画素サイズ
が小さく、より細かい画素ピッチの液晶表示素子を使用
することが有利であるが、解像力に対する要求もより厳
しくなるため、投射レンズ系がより複雑で高価なものに
なりやすい。

【００１７】特に、ＴＮ型液晶表示素子の場合、偏光素
子等による光量低下を補うために入射角や反射角を大き
くとる必要があり、このため結像光学系の開口絞りを大
きくとる光学的に明るい（すなわち、Ｆナンバーの小さ
い）投射レンズ系が必要となり、解像力低下、光学レン
ズ枚数増加、複雑化等を招き、大型化や高価な反射型液
晶表示装置となることが予想される。

【００１８】以上のように、反射型液晶表示装置として
は従来、種々提案されているが、特に液晶光学素子表面
の入射角／反射角をあまり大きくせずに透過散乱特性を
良好に維持しながら高密度な反射型液晶表示素子の画像
をスクリーンに投影する、小型かつ簡素で明るく、か
つ、前記のような高密度な画素を有する反射型液晶表示
素子も良好な性能でスクリーンに投影しうる高解像力、
高コントラストな性能を有する反射型液晶表示装置が望
まれていた。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決すべくなされたものであり、反射型液晶表示素子の画
素密度が高精細な画素であってもスクリーン上に良好な
画像を拡大投影でき、、小型、かつ軽量、かつ高性能な
反射型液晶光学装置を提供するものである。

【００２０】すなわち、請求項１の発明は、光源と第１
の開口とが備えられた光源系と、透過散乱型の動作モー
ドを有する表示素子と反射機能層とが備えられた光変調
手段と、第２の開口とが備えられ、光源光の表示素子へ
の入射中心点を通過する表示素子面の垂線を中心光軸と
し、光源の出射中心点と入射中心点とを結ぶ線を照明光
軸とすると、両光軸は交差角度γを有し、表示素子の出
射中心点と投射光学系の開口の中心位置を通る線を結像
光軸とすると、この結像光軸と中心光軸とが、両光軸を
含む面内において、照明光軸と反対方向向ある角度δだ
け傾けて配置され偏心性結像手段が備えられた投射光学
系が設けられた投射型光学装置であって、光源系からの
出射光をほぼ平行化して表示素子に入射させ、かつ、表
示素子から出射した光を投射光学系のなかに結像せしめ
るコリメータレンズが備えられ、表示素子の入射中心点
から光源系の開口を見込む角をα、表示素子の出射中心
点から結像光学系の開口を見込む角をβ、コリメータレ
ンズの焦点距離をｆ_C とすると、数２の関係式を満足す
ることを特徴とする投射型光学装置を提供する。

【００２１】ここで、光源系からの出射光を平行光化す
るとは、光源系の各点から出射する光束のうち、表示素
子の入射中心点に入射する光線を主光線とした場合、光
源系からあるばらつきをもって出射される光束をこの主
光線とほぼ平行化することを意味する。

【００２２】

【数２】２°≦γ≦１５° ２°≦δ≦１５° α≦２・γ β≦２・δ ２５ｍｍ≦ｆ_C ≦１７５ｍｍ

【００２３】また、請求項２の発明は、２°≦γ≦５
°、かつ５０ｍｍ≦ｆ_C である請求項１記載の投射型光
学装置を提供する。また、請求項３の発明は、１０°≦
γ≦１５°、かつｆ_C ≦１５０ｍｍである請求項１記載
の投射型光学装置を提供する。また、請求項４の発明
は、α≦２・γ−２°、かつβ≦２・δ−２°である請
求項１、２または３記載の投射型光学装置を提供する。
また、請求項５の発明は、液晶／高分子複合体素子を表
示素子に用いる請求項１、２、３または４記載の投射型
光学装置を提供する。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１と図２に、本発明の投射光学
装置の一例における基本的構成を示す側面図と平面図を
示す。透過散乱型の液晶表示素子の一方の面に反射面を
設けて使用する反射型の投射光学装置においては、照明
光学系の光源（共役光源を含む）の各点から出射し、反
射型液晶表示素子に入射する光束をその主光線と平行に
変換し、さらに反射型液晶表示素子の反射面で反射して
出射してくる光束を結像光学系の開口絞り位置に集束さ
せるコリメータレンズが必要となる。本発明の一例とし
て、図１、図２に示すような平凸のコリメータレンズを
採用することにして以下に説明する。

【００２５】まず、このコリメータレンズの焦点距離を
ｆ_C 、反射型液晶表示素子の入射中心点から照明光学系
の開口を見込む角をα、反射型液晶表示素子の光軸と照
明光学系の共役光源中心との距離をΔＬ、照明光学系の
開口絞りの口径をφ_L 、反射型液晶表示素子の出射中心
点から結像光学系の開口を見込む角をβ、反射型液晶表
示素子の光軸と結像光学系の開口絞り中心との距離をΔ
Ａ、結像光学系の開口絞りの口径をφ_A 、とすると、照
明光学系のγ、α、ΔＬ、φ_L 、および結像光学系の
δ、β、ΔＡ、φ_A の間には、次の数３の関係が成り立
つ。

【００２６】

【数３】(3A)：ΔＬ≒ｆ_C ・ｔａｎ（γ） (3B)：φ_L ≒ｆ_C ・ｔａｎ（γ＋α／２）−ｆ_C ・ｔａ
ｎ（γ−α／２） (3C)：ΔＡ≒ｆ_C ・ｔａｎ（δ） (3D)：φ_A ≒ｆ_C ・ｔａｎ（δ＋β／２）−ｆ_C ・ｔａ
ｎ（δ−β／２）

【００２７】一方、反射型の投射型光学装置の光学系に
おいては、図１、図２に示すように、一般的には照明光
学系または光源系と結像光学系が反射型液晶表示素子に
対して同一側に配置され、液晶光学素子の光軸に関して
それぞれ反対側に偏心した光軸を有する光学系となる。
しかし、光源系と結像光学系の開口絞りが空間的に干渉
し、つまり通常の配置では機械的にぶつかってしまうた
め、これを避けるためには、式(4A)とすることが好まし
い。式(4A)は、さらに式(4B)、式(4C)となる。

【００２８】

【数４】 (4A)：ΔＬ−φ_L ／２≧０、かつ、ΔＡ−φ_A ／２≧０ (4B)：ΔＬ−φ_L ／２＝ｆ_C ・ｔａｎ（γ）−ｆ_C ・
｛ｔａｎ（γ＋α／２）−ｔａｎ（γ−α／２）｝／２
≧０ (4C)：ΔＡ−φ_A ／２＝ｆ_C ・ｔａｎ（δ）−ｆ_C ・
｛ｔａｎ（δ＋β／２）−ｔａｎ（δ−β／２）｝／２
≧０

【００２９】ここで、光源系の光軸の傾角γと結像光学
系の光軸の傾角δは、２°≦γ≦１５°、かつ、２°≦
δ≦１５°という小さい角度の範囲であり、α／２とβ
／２も同様の範囲とすると、次の数５の関係がほぼ成立
する。これより、数６の関係がさらに導かれる。

【００３０】

【数５】(5A)：ｔａｎ（γ）≒γ (5B)：ｔａｎ（δ) ≒δ (5C)：ｔａｎ（γ＋α／２）≒γ＋α／２ (5D)：ｔａｎ（γ−α／２）≒γ−α／２ (5E)：ｔａｎ（δ＋β／２）≒δ＋β／２ (5F)：ｔａｎ（δ−β／２）≒δ−β／２

【００３１】

【数６】 ΔＬ−φ_L ／２≒ｆ_C ・γ−ｆ_C ・｛（γ＋α／２）−（γ−α／２）｝／２ ＝ｆ_C ・（γ−α／２）≧０

【００３２】以上のことから、「α≦２・γ」であるこ
とが好ましいことがわかる。同様に、「β≦２・δ」で
あることが好ましいこともわかる。また、液晶表示素子
を一枚のパネル構成としてカラー表示する投射型光学装
置（単板フルカラー）においても、上記の条件は好まし
い。

【００３３】さらに、図１、図２の例に示したような３
枚の液晶表示素子（３板フルカラー）を用いてより良好
なカラー表示機能を有する投射型光学装置においては、
反射型液晶表示素子と光源系の間、および反射型液晶表
示素子と結像光学系との間に色分離合成用のダイクロイ
ックミラーを挿入する空間が必要となる。このため、ｆ
_C の条件としては、前述のγ、δの角度範囲を考慮して
少なくとも使用する液晶表示素子の有効対角長と同等以
上の長さが必要となる。

【００３４】一方、光源系と結像光学系の大きさを含め
て小型な投影装置として実現するために、本発明におい
ては、ｆ_C は１７５ｍｍ以下とする。以上のように、請
求項１に示すような透過散乱型の液晶表示素子を用いた
反射型の投射光学装置において、請求項１の条件範囲を
満たすことにより、透過散乱型液晶表示素子の特性を良
好に生かして、スクリーン上に良好な画像を拡大投影で
きる、小型かつ軽量かつ高性能な反射型液晶光学装置を
実現できる。

【００３５】本発明の投射型光学装置では、光変調手段
として透過散乱の動作モードを有する光学素子を用い
て、他の光学要素と組み合わせて反射型の投射型光学装
置を構成する。この場合、散乱状態の画素では、散乱さ
れずに裏側まで到達した光は反射機能層で反射され、光
路を戻る際に、再度セル内の散乱部分を通過することで
散乱され、結果として薄い光変調層で高い散乱率が得ら
れる。また、透過型の光学素子に対して同じ散乱能とし
た場合、光変調層を薄く形成できるので、その結果駆動
電圧が低減できる。

【００３６】また、この光学素子が画素からなる表示素
子で、画素ごとに能動素子が形成されたアクティブマト
リックス駆動方式である場合、各画素毎に蓄積容量を形
成する際に、反射型にすることにより蓄積容量形成に伴
う画素開口率の減少が低減される。そのため透過型に比
べて高開口率が得やすいとともに、能動素子の設計自由
度が増すので有利となる。

【００３７】具体的には上記のＬＣ／ＰＣを用いること
が好ましい。電気的に散乱状態と透過状態とを直接制御
でき、明るい光源を使用でき、かつ透過時の光の透過率
を大幅に向上できるからである。また、光学素子の表側
の電極基板の界面における光の反射率を低減することが
好ましい。高コントラスト比が容易に得られるからであ
る。ＬＣ／ＰＣのセルギャップとして、およそ８〜１２
μｍとすると、駆動電圧を７〜８Ｖに設定できる。

【００３８】本発明に用いるＬＣ／ＰＣセル内の液晶／
高分子複合体層の比抵抗としては、５×１０¹⁰Ωｃｍ以
上のものが好ましい。さらに、漏れ電流等による電圧降
下を最小限にし、高精細度の表示を得るためには、１０
¹¹Ωｃｍ以上がより好ましく、この場合には大きな蓄積
容量を画素電極毎に付与する必要がない。

【００３９】液晶／高分子複合体の構造は種々のものが
あるが、本発明では、特に、細かな孔が多数連通して形
成された高分子相（ネットワ−ク構造）と、連通した孔
の部分に充填された液晶相とから構成されていることが
好ましい。液晶と高分子相は電圧の印加時または非印加
時のいずれかの状態においてその高分子の屈折率が使用
する液晶の常光屈折率ｎ_o または異常光屈折率ｎ_e とほ
ぼ一致するように設けられる。

【００４０】液晶の常光屈折率ｎ_o は高分子相の屈折率
ｎ_p とほぼ一致することが好ましく、この時電界印加時
に高い透明性が得られる。具体的にはｎ_o −０．０３＜
ｎ_p＜ｎ_o ＋０．０５の関係を満たすことが好ましい。

【００４１】これに所望の画素の電極間に電圧を印加す
る。この電圧を印加された画素部分では、液晶が電界方
向に平行に配列し、液晶の常光屈折率ｎ_o と高分子相の
屈折率ｎ_p とが一致することにより透過状態を示し、当
該所望の画素で光が透過することとなり、投射スクリー
ンに明るく表示される。

【００４２】液晶の屈折率異方性Δｎ（＝ｎ_e −ｎ_o ）
は、散乱性に寄与し、高い散乱性を得るには、ある程度
以上大きいことが好ましく、具体的にはΔｎ≧０．１８
が好ましく、Δｎ≧０．２０が特に好ましい。

【００４３】また、誘電異方性が正のネマチック液晶を
用いることが好ましい。また、液晶の体積分率Φは、お
よそ６０〜７０％、特には６３〜６７％、とすることが
好ましい。また、液晶に求められる動作温度範囲、動作
電圧など種々の要求性能を満たすには組成物を用いた方
が有利である。

【００４４】このＬＣ／ＰＣを表電極基板と、反射膜を
有する裏電極基板との間に挟持して反射型の液晶光学素
子とする。この反射型の液晶光学素子の電極間への電圧
の印加状態により、その液晶の屈折率が変化し、高分子
相の屈折率と液晶の屈折率との関係が変化し、両者の屈
折率が一致した時には透過状態（正規反射して光が出
射）となり、屈折率が異なった時には散乱状態（拡散光
が出射）となる。

【００４５】本発明に用いるＬＣ／ＰＣは光励起重合相
分離法で形成することが好ましい。ＬＣ／ＰＣを構成す
る高分子相の材料としては、未硬化の硬化性化合物とし
て光硬化性化合物の使用が好ましく、なかでも、オリゴ
マーを含有した光硬化性ビニル系化合物の使用が好まし
い（例えば、特開昭６３−２７１２３３号公報、６３−
２７８０３５号公報、特開平３−９８０２２号公報参
照）。もちろん、他の手法によるＬＣ／ＰＣも基本的に
は採用できる。

【００４６】また、これらの液晶と硬化性化合物との未
硬化の混合物には、基板間隙制御用のセラミック粒子、
プラスチック粒子、ガラス繊維等のスペーサ、顔料、色
素、粘度調整剤、その他本発明の性能に悪影響を与えな
い添加剤を添加してもよい。なお、このＬＣ／ＰＣを使
用した反射型の液晶表示素子の透過状態での透過率は高
いほどよく、散乱状態でのヘイズ値は８０％以上である
ことが好ましい。

【００４７】本発明で能動素子としてＴＦＴを用いる場
合には、半導体材料としてはシリコンが好適である。特
に多結晶シリコンは、非結晶シリコンよりも高速動作可
能であって、面積の小さなＴＦＴで動作可能となり、高
い開口率を達成でき明るい表示が得られる。また、裏電
極基板としてＭＯＳ半導体基板も使用できる。この場
合、駆動電圧をＴＦＴよりも高く設定でき、１５Ｖ駆動
のときに、セルギャップを１５μｍ程度まで厚くでき
る。

【００４８】

【実施例】

（例１）本例の構成は以下の通りである。光源１、反射
鏡２、第１の開口絞り４、ダイクロイックミラー５、
６、コリメータレンズ７、反射型液晶表示素子８、後側
レンズ群１０、第２の開口絞り１１、リレーレンズ群１
２、前玉レンズ群１３を備え、表示素子面の中心光軸と
光源系の照明光軸とが交差角度γを有し、表示素子から
投射光学系に至る結像光軸と中心光軸とが角度δを有
し、表示素子の入射中心点から光源系の第１の開口絞り
４を見込む角をαとし、表示素子の出射中心点から結像
光学系の第２の開口絞り１１を見込む角をβとし、コリ
メータレンズ７の焦点距離ｆ_C ＝２５〜１８０ｍｍに設
定する。

【００４９】なお、φ_L は照明光学系の開口絞りの口径
であり、φ_A は結像光学系の開口絞りの口径であり、Δ
Ｌは反射型液晶表示素子の光軸と照明光学系の共役光源
中心との距離であり、ΔＡは反射型液晶表示素子の光軸
と結像光学系の開口絞り中心との距離である。ｆ_C はコ
リメータレンズの焦点距離である。そして、筐体１４で
覆われている。このようなシステム構成を図１と図２に
示す。

【００５０】表１に、ｆ_C ＝２５ｍｍ、かつ、γ＝２
°、５°、１０°、１５°、かつ、δをγと同様に、２
°、５°、１０°、１５°とし、さらに、α、βを同様
に、（２°、５°、１０°、１５°）に設定した場合、
および、（４°、１０°、２０°、３０°）に設定した
場合の、ΔＬ、ΔＡ、φ_L 、φ_A 、ΔＬ−φ_L ／２、Δ
Ａ−φ_A ／２の数値例を示す。

【００５１】ここで、最終項Ｈ₀ ＝Σ（ΔＬＡφ）は、
「ΔＬ＋φ_L ／２＋ΔＡ＋φ_A ／２」の値を表し、光学
系の２つの開口絞りを含む側断面方向の高さを示す。実
際の光学系の高さは、この値よりも大きくなる。

【００５２】表中の例１−ａ〜１−ｄの場合は、α、β
の値がγ、δと同じでそれほど開口径が大きくないた
め、Ｈ_L ＝ΔＬ−φ_L ／２、Ｈ_A ＝ΔＡ−φ_A ／２の値
も負にはならず、開口絞り同士が重なる危険性は全くな
く問題はない。しかし、例１−ａ、１−ｄでは非常に小
型化された投射表示装置を達成でき、その点では優れる
が、明るさの点では最小限界の範囲と考えられる。

【００５３】一方、例１−ｅ〜１−ｈの場合、α、βの
値をそれぞれ２倍にしたときの上記のＨ₀ の値は、γ、
δが大きくなるにつれて０〜やや負の値を示し、機械的
干渉の危険性があることがわかる。すなわち、ｆ_C ＝２
５ｍｍとして、コリメータレンズの焦点距離の値を非常
に小さくした場合、例１−ａ〜１−ｈ程度のα、β、
γ、δの組み合わせが小型化と明るさを両立する限界付
近であることがわかる。したがって、ｆ_C は２５ｍｍ以
上に設定することが必要となる。

【００５４】本例の場合、１インチサイズ程度以下の反
射型液晶表示素子を利用できるため、幅１０ｃｍ×奥行
き７ｃｍ×高さ１０ｃｍ以下程度の非常に小型な光学ユ
ニットを実現できる。また、表示面の対角長が１インチ
サイズ程度以下であるので、小面積で、かつ反射型であ
るので、ＭＯＳ型Ｓｉトランジスタ回路技術を応用した
高精細な表示素子を形成できる。表６に本例について、
１００Ｗのメタルハライドランプを光源に用いた場合
の、投射画像のコントラスト比と明るさの計算値をまと
めた。

【００５５】以上説明したように、本例の場合は、１イ
ンチサイズのクラスの小さな有効面を有する反射型液晶
表示装置を用いた場合に、小型化と明るさを満足できる
限界となる。

【００５６】（例２）表２に、ｆ_C ＝１００ｍｍとし、
他は例１と同様のパラメータとした場合の数値例を示
す。例２−ａ〜２−ｈの場合は、α、βの値がγ、δに
対して同等かまたは２倍かで、光学系の２つの開口絞り
を含む側断面方向の高さが変わってくるだけで、明るく
かつ小型という目的を充分に達成できる。

【００５７】しかし、例２−ｈはやや負の無視しえない
値を示し、機械的干渉の危険性が大きくなっており、ま
た、Ｈ₀ ＝Σ（ΔＬＡφ）も１００ｍｍを超えており、
ｆ_Cの割りにはかなり高さの高い光学系となる。この場
合、開口角α、βはやや１〜２°以上小さく設定した方
が好ましい。

【００５８】すなわち、ｆ_C ＝１００ｍｍ程度のコリメ
ータレンズの値の場合、例２−ａ〜２−ｇの例は小型化
と明るさを充分実現できる例である。

【００５９】本例の場合、１〜２インチサイズ程度以下
の反射型液晶表示素子に適した構成である。幅２０ｃｍ
×奥行き１５ｃｍ×高さ１５ｃｍ以下程度の小型な光学
ユニットを実現できる。また、表示面の対角長が１〜２
インチサイズ程度であるので、ガラス基板上に形成した
ポリシリコンＴＦＴ駆動のアクティブマトリックス駆動
表示素子を使用でき、高精細表示を達成しつつ、表示素
子の低コスト化、生産性の向上を達成でき好ましい。表
７に本例について、１００Ｗのメタルハライドランプを
光源に用いた場合の、投射画像のコントラスト比と明る
さの計算値をまとめた。

【００６０】（例３）表３に、ｆ_C ＝１７５ｍｍとし、
他は例１と同様のパラメータとした場合の数値例を示
す。例３−ａ〜３−ｃの場合は、α、βの値がγ、δに
対して同等であり、機械的干渉もなく、高さＨ₀ ＝Σ
（ΔＬＡφ）も１００ｍｍ以内と充分な大きさであるこ
とがわかるが、明るさの点では最小限の例である。一
方、例３−ｅ〜３−ｆは明るさと小型化を充分に満足で
き、３インチサイズのクラスの比較的大きな有効面を有
する反射型液晶表示素子を用いても、小型化と明るさを
満足できることがわかる。

【００６１】しかし、本例では、ｆ_C ＝１７５ｍｍと大
きくしているため、Ｈ₀ ＝Σ（ΔＬＡφ）が大きくな
る。なかでも、例３−ｄ、３−ｈの場合は高さも高くな
り、特に３−ｈは機械的干渉の可能性を考慮すると、
α、βの値を２°程度以上小さくした方が投射光学系と
して無理のないものになる。

【００６２】すなわち、本例では、本発明における光学
系のサイズと明るさを最大限界付近とした例であり、各
要素をこれ以上大きくすると、小型化と明るさを得ると
いう２つの性能を両立できなくなる。

【００６３】本例の場合、２〜３インチサイズ程度以下
の反射型液晶表示素子に適した構成である。幅３０ｃｍ
×奥行き２０ｃｍ×高さ２０ｃｍ以下程度の小型な光学
ユニットを実現できる。また、表示面の対角長が２〜３
インチサイズ程度であるので、ガラス基板上に形成した
ポリシリコンＴＦＴ駆動のアクティブマトリックス駆動
表示素子、特に、レーザアニールにより４００℃程度以
下のガラス基板温度でアモルファスＳｉを多結晶化した
低温形成ポリＳｉＴＦＴが高精細表示を達成しつつ、表
示素子の低コスト化、生産性の向上を達成でき好まし
い。

【００６４】また、上記の例１および例２に比較して、
表示素子のサイズが大きいため、消費電力の大きな高照
度ランプを用いても、表示面での照射密度は増加しない
ため、高照度ランプを用いて投射光量の絶対値を向上で
きる。

【００６５】表９に本例について、２００Ｗのメタルハ
ライドランプを光源に用いた場合の、投射画像のコント
ラスト比と明るさの計算値をまとめた。

【００６６】（例４）表４の例４−ａ〜４−ｄに、２°
≦γ≦５°、２°≦δ≦５°と偏心角度が小さく、か
つ、ｆ_C ＝５０ｍｍとしたとき、それぞれα＝γ、α＝
２・γ、β＝δ、β＝２・δの場合の、ΔＬ、ΔＡ、φ
_L 、φ_A 、ΔＬ−φ_L ／２、ΔＡ−φ_A／２、Ｈ_L 、Ｈ_A
、Ｈ₀ の数値例を示す。同様に、例４−ｅから４−ｈ
に、２°≦γ≦５°と偏心角度が小さく、かつ、ｆ_C ＝
１７５ｍｍとしたときの数値例を示す。

【００６７】例４−ａ〜４−ｄから、２°≦γ≦５°、
２°≦δ≦５°と小さい場合は、Ｈ_L 〜Ｈ₀ の値を見れ
ばわかるように、これ以上ｆ_C が小さくなると、投射光
学装置としては小さすぎ、かつ、製作しにくいものにな
ることが予想される。すなわち、製作の容易性から見れ
ば、本例のｆ_C ＝５０ｍｍ位がｆ_C の下限であることが
いえる。

【００６８】一方、例４−ｅ〜４−ｈでは、ｆ_C ＝１７
５ｍｍの場合は、２°≦γ≦５°、２°≦δ≦５°と小
さいため、Ｈ_L 〜Ｈ₀ の値を見ればわかるように、充分
製作しやすく、かつ、高さ方向の小型化は達成している
といえる（ただし、例４−ｆと４−ｈの場合、α、βの
値は、１〜２°位小さくした方がよい可能性があ
る。）。しかし、水平方向のサイズを考えると、ｆ_C ＝
１７５ｍｍという値に、一般的には１００ｍｍ位の投射
レンズの長さが足し合わされることを考えると、小型化
としては大きい方の限界位といえる。

【００６９】すなわち、本例のように、２°≦γ≦５
°、２°≦δ≦５°と小さい場合、ｆ_C の値は、５０ｍ
ｍ≦ｆ_C ≦１７５ｍｍの範囲が好ましいことがわかる。

【００７０】（例５）表５の例５−ａ〜５−ｄに、１０
°≦γ≦１５°、１０°≦δ≦１５°と偏角度が大き
く、かつ、ｆ_C ＝２５ｍｍとしたとき、それぞれα＝
γ、α＝２・γ、β＝δ、β＝２・δの場合の、ΔＬ、
ΔＡ、φ_L 、φ_A 、ΔＬ−φ_L ／２、ΔＡ−φ_A ／２、
Ｈ_L 、Ｈ_A 、Ｈ₀ の数値例を示す。同様に、例５−ｅ〜
５−ｈに、１０°≦γ≦１５°と偏心角度が大きく、か
つ、ｆ_C ＝１５０ｍｍとしたときの数値例を示す。

【００７１】例５−ａ〜５−ｄから、ｆ_C ＝２５ｍｍの
場合は、１０°≦γ≦１５°、１０°≦δ≦１５°と大
きいため、Ｈ_L 〜Ｈ₀ の値を見ればわかるように、高さ
方向に無理がなく、充分製作しやすく、小型化は達成し
ているといえる（ただし、例５−ｂと５−ｄの場合、
α、βの値は、１〜２°位小さくした方がよい可能性が
ある。）。

【００７２】しかし、小型ではあるが、水平方向のサイ
ズに比して高さ方向が高くなり、外観や安定性から見
て、ｆ_C ＝２５ｍｍという値位が、下限といえる。一
方、例５−ｅから５−ｈでは、ｆ_C ＝１５０ｍｍの場合
は、１０°≦γ≦１５°、１０°≦δ≦１５°と大きい
ため、 Ｈ_L 〜Ｈ₀ の値を見ればわかるように、充分製
作しやすくなるといえる（ただし、例５−ｆと５−ｈの
場合、α、βの値は、１〜２°位小さくした方がよい可
能性がある。）。

【００７３】しかし、例５−ｈでは高さ方向の観点から
は小型化の限界位と見られる。すなわち、本例のよう
に、１０°≦γ≦１５°、１０°≦δ≦１５°と小さい
場合、ｆ_C の値は、２５ｍｍ≦ｆ_C ≦１５０ｍｍの範囲
が好ましいことがわかる。

【００７４】

【表１】

【００７５】

【表２】

【００７６】

【表３】

【００７７】

【表４】

【００７８】

【表５】

【００７９】

【表６】

【００８０】

【表７】

【００８１】

【表８】

【００８２】

【発明の効果】本発明によって、超小型であって、明る
く、かつ高コントラスト比の投射画像を表示できる投射
型光学装置を達成できる。光源のパワー効率も向上し、
実用的な投射型光学装置を製造できる。本発明はその効
果を損しない範囲で他の用途にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学系全体の基本的構成の側面図。

【図２】本発明の光学系全体の基本的構成の平面図。

【符号の説明】

１：光源 ２：反射鏡 ３：均一化レンズ ４：第１の開口絞り ５、６：ダイクロイックミラー ７：コリメータレンズ ８：反射型液晶表示素子 ９：反射面 １０：投射レンズ（後側レンズ群） １１：第２の開口絞り １２：投射レンズ（リレーレンズ群） １３：投射レンズ（前玉レンズ群） １４：筐体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と第１の開口とが備えられた光源系
   と、透過散乱型の動作モードを有する表示素子と反射機
   能層とが備えられた光変調手段と、第２の開口とが備え
   られ、光源光の表示素子への入射中心点を通過する表示
   素子面の垂線を中心光軸とし、光源の出射中心点と入射
   中心点とを結ぶ線を照明光軸とすると、両光軸は交差角
   度γを有し、表示素子の出射中心点と投射光学系の開口
   の中心位置を通る線を結像光軸とすると、この結像光軸
   と中心光軸とが、両光軸を含む面内において、照明光軸
   と反対方向にある角度δだけ傾けて配置され偏心性結像
   手段が備えられた投射光学系が設けられた投射型光学装
   置であって、 光源系からの出射光をほぼ平行化して表示素子に入射さ
   せ、かつ、表示素子から出射した光を投射光学系のなか
   に結像せしめるコリメータレンズが備えられ、 表示素子の入射中心点から光源系の開口を見込む角を
   α、表示素子の出射中心点から結像光学系の開口を見込
   む角をβ、コリメータレンズの焦点距離をｆ_C とすると
   数１の関係式を満足することを特徴とする投射型光学装
   置。 【数１】２°≦γ≦１５° ２°≦δ≦１５° α≦２・γ β≦２・δ ２５ｍｍ≦ｆ_C ≦１７５ｍｍ
2. 【請求項２】２°≦γ≦５°、かつ５０ｍｍ≦ｆ_C であ
   る請求項１記載の投射型光学装置。
3. 【請求項３】１０°≦γ≦１５°、かつｆ_C ≦１５０ｍ
   ｍである請求項１記載の投射型光学装置。
4. 【請求項４】α≦２・γ−２°、かつβ≦２・δ−２°
   である請求項１、２または３記載の投射型光学装置。
5. 【請求項５】液晶／高分子複合体素子を表示素子に用い
   る請求項１、２、３または４記載の投射型光学装置。