JPH10301057A - 反射型投射表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超小型で高性能の液晶プロジェクターを得る。 【解決手段】光源１、対角長がφ_DISPで高さがφ_V の反
射型液晶表示素子８、投射レンズ群を保持する鏡筒１
０、交差角度γを有する照明光軸と中心光軸、交差角度
δを有する結像光軸と中心光軸、中心点Ｍから第１の開
口４を見込む角をα、中心点Ｍから第２の開口１１を見
込む角をβ、焦点距離ｆ_C のコリメータレンズ７が備え
られ、φ_SP≦ｆ_C ≦３・φ_DISP、γ≦１５°、δ≦１５
°、α≦２・γ、β≦２・δの関係を満たし、最大径Ｗ
_C によって空間１３が形成された鏡筒１０、筐体１４を
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シュリーレン光学
系と反射型に構成した透過・散乱モードを有する表示素
子とを組み合わせた反射型投射表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶光学素子としては、ＤＳＭ（動的散
乱）型では液晶中を流れる電流値が高いため、消費電流
が大きいという欠点があり、現在ではＴＮ（ツイストネ
マチック）型液晶を用いるものが主流となっており、ポ
ケットＴＶとして市場に現われている。ＴＮ型液晶で
は、漏れ電流は極めて小さく、消費電力が少ないので、
電池を電源とする用途には適している。しかし、偏光板
を用いるため表示が暗くなる欠点がある。

【０００３】さらに近年、ネマチック液晶が固化物相中
に分散保持され、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固化物相の屈折率が使用する液晶
相の屈折率とほぼ一致するようにされた液晶固化物複合
体を狭持した透過散乱型液晶表示素子が注目されてい
る。

【０００４】この透過散乱型液晶表示素子は、偏光板を
使用しないため、明るい表示が可能であることが大きな
利点である。このため、最近ではそのまま透過型液晶表
示素子として液晶プロジェクターや光制御素子として使
用されている。

【０００５】この透過散乱型液晶表示素子の片面に光反
射層を形成し、反射型表示素子として用いる場合、透過
型素子として用いる場合に比べ光が変調材料層を往復し
作用長として２倍大きく、その結果、散乱時の散乱能が
高い素子となる。

【０００６】したがって、この透過散乱型液晶表示素子
を反射型表示素子として用いた場合、透過状態と散乱状
態の差が顕著に生じ、透過型表示素子の場合に比べて高
コントラスト表示が可能となる。

【０００７】従来、透過散乱型液晶表示素子を反射型表
示素子として用い、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
いたカラー投射型液晶表示装置に関しては、例えば、そ
の光学系の構成が特開平０４−１４２５２８号公報の第
５図、および、特開平４−２３２９１７号公報の第１図
に記載された。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これらの公知例は、透
過散乱型液晶表示素子の一方の面に反射機能を有する少
なくとも１個以上の反射型液晶表示素子と、この反射型
液晶表示素子を照明する光源および反射鏡、レンズ等で
構成される照明光学系と、照明光学系により照明された
反射型液晶表示素子の画像をスクリーン上に投影結像さ
せる光学素子群で構成される結像光学系とを基本的構成
要素として備えた。

【０００９】照明光学系の集光鏡として楕円鏡を用い、
照明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、反射型に構成した３個の透過散乱
型液晶表示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
て用いられていた。

【００１０】この場合、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比較
的大きな空間が必要となり、投射型液晶表示装置の容積
の増大を招くことが予想された。

【００１１】一般に、反射型液晶表示素子を用いた投射
光学装置の場合、入射光と反射光は同一光軸上ではな
く、反射型液晶表示素子の反射面に対してある角度で入
射し、そして、反射するため、反射型液晶表示素子の有
効面に対応して光を損失なく利用するためには、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
表示素子の反射面に比べて大きな面積を必要とする。

【００１２】さらに、反射型液晶表示素子を用いる投射
型液晶表示装置においては、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ことに
加えて、この投射型液晶表示装置が机や床付近の比較的
低い位置に置かれる場合は、その置かれる水平面に対し
て投射画面を高い位置に、逆に天井付近に置かれる場合
は逆に低い位置に、画面を投射する機能が要求される。
このため、偏心投射光学系とすることが重要かつ不可欠
となっていた。

【００１３】すなわち、反射型液晶表示素子を用いた投
射型表示装置の光学系を設計する場合、一般的には、結
像光学系に関して偏心光学設計が必要とされ、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
ために、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。

【００１４】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るうえ
に、全体の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。

【００１５】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
きくして光学的に明るい（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、複雑化等を招いて、大型化や高価な反射型
液晶表示装置となってしまうことが予想された。

【００１６】図２に、反射型液晶表示素子を用いた投射
型表示装置で、色分解光学系のダイクロイックミラー以
外に本発明のような照明光学系の光路を変更する光学素
子を持たない、一般的な光学系の側面図を示す。

【００１７】この光学系の場合、明るくかつ小型化しよ
うとすると、照明光学系の集光鏡や照明光束の均一化レ
ンズ、開口絞り等の光学素子およびそれら保持する機構
部品等と、結像光学系の投射レンズが機械的に干渉しや
すい、つまり、空間配置上ぶつかりあってしまうことが
予想された。

【００１８】これを避けるために、照明光学系と結像光
学系の間隔を大きくして、反射型の液晶表示素子の光軸
に対する照明光学系の入射角γまたは結像光学系の反射
角δを大きくすると、側面方向における入出射光束の幅
が大きくなるため、光学系の各素子の必要面積が大きく
なり、全体の光学系がさらに大きくなってしまう。

【００１９】また、透過散乱型の液晶表示素子を使用す
る場合、γまたはδが大きくなると、前述のように、透
過散乱型液晶表示素子の優れた透過／散乱効果が減少し
てしまうことになる。

【００２０】さらに別の手段として、図３に示すよう
に、照明光学系の楕円鏡とその第２焦点位置の間に平面
鏡を置いて光軸を折り曲げ、機械的干渉を最も起こしや
すい楕円鏡の位置を結像光学系の横に置く方法も考えら
れた。

【００２１】図３において、投射レンズ群を保持する鏡
筒１０、第２の開口１１、反射型の液晶表示素子９、第
１の開口４、照明光束の均一化プリズムレンズ３、楕円
鏡２、光源１、鏡筒の切り欠き面１３Ｘが示されてい
る。

【００２２】しかし、これだけでは楕円鏡の口径が小さ
いか、その第２焦点距離ｆ₂ の値が比較的長くなければ
機械的干渉がやはり避けられない。また、この場合、使
用する楕円鏡の口径が小さければ、使用する光源ランプ
の種類も制限される。一方、第２焦点距離が長ければ楕
円鏡の深さが浅くなり、光源の利用効率が低下すること
になり明るさが低下することが予想された。

【００２３】以上のように、反射型液晶表示素子を用い
た投射表示装置としては、従来、種々の提案がなされて
きたが、特に液晶表示素子表面への入射角／反射角を大
きくせず、かつ照明光学系と結像光学系が機械的な干渉
を起こさず、反射型液晶光学素子の画像を明るくスクリ
ーンに投射できる小型かつ簡素な反射型投射表示装置が
望まれていた。

【００２４】特に反射型液晶表示素子表面への入射角／
反射角を大きくせずに、かつ照明光学系と結像光学系が
機械的な干渉を起こさず、反射型液晶表示素子の画像を
スクリーンに明るく投射できる、超小型かつ簡素な反射
型投射表示装置を目的とするものである。

【００２５】

【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、本発明の請求項１は、光
源と第１の開口が備えられた照明光学系、散乱機能を有
する表示素子、反射機能層、コリメータレンズ、第２の
開口、投射レンズ群が備えられた投射光学系が設けら
れ、光源から出射された照明光束は第１の開口を通り、
表示素子を通過し反射機能層で反射され、再び表示素子
を通過して表示光束とされ、コリメータレンズによって
第２の開口にほぼ集束され、第２の開口を通り、投射レ
ンズ群のなかの所望の位置にほぼ結像せしめられてなる
投射光学装置であって、照明光束の照明光軸が表素素子
面と中心点で交わり、中心点を通る表示素子面のほぼ垂
線を中心光軸とし、中心点から第２の開口の略中心を通
る光軸を結像光軸とし、照明光軸と中心光軸は両者を含
む面内で交差角度γを有し、結像光軸と中心光軸は両者
を含む面内で交差角度δを有し、表示素子の対角サイズ
をφ_DISP、中心点から第１の開口を見込む角をα、表示
素子の出射中心点から第２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 、投射レンズ群の最終レ
ンズの直径をφ_P 、φ_DISP≦ｆ_C ≦３・φ_DISP、γ≦１
５°、δ≦１５°、α≦２・γ、β≦２・δの関係が満
たされ、１方向における表示素子の有効寸法をφ_V とす
ると、光源の発光中心点と照明光軸との距離Ｌ_d が０．
４・φ_V ≦Ｌ_d ≦１．５・φ_V の関係を満たすことを特
徴とする反射型投射表示装置である。

【００２６】また、請求項２は投射レンズの保持機構が
備えられ、その外周から結像光軸に向かう方向の最大深
さをＷ_C とすると、深さＷ_C の位置でほぼ直交する弦
と、円弧のなす領域が空間部として設けられたことを特
徴とする請求項１記載の反射型液晶表示装置である。

【００２７】ここで、空間とは照明光学系の構成部材と
機械的干渉を起こさないように、投射光学系の投射レン
ズの保持機構を切り取ったような、機構部品のない空胴
部のことを指している。投射レンズを保持する鏡筒の外
径端から直径方向に向かって、ある一定の大きさの空間
を解放するように設けたものである。

【００２８】つまり、鏡筒の断面方向から見ると、扇状
にその鏡筒の一部を切り取ったような形状にしたもので
ある。

【００２９】また、請求項３は数４を満足することを特
徴とする請求項２記載の反射型投射表示装置である。

【００３０】

【数４】φ_DISP≦２５. ４ｍｍ １０°≦γ １０°≦δ ０. ２６・ｆ_C ≦Ｗ_C ≦０. ４０・ｆ_C

【００３１】また、請求項４は、数５を満足することを
特徴とする請求項２記載の反射型投射表示装置である。

【００３２】

【数５】２５. ４ｍｍ≦φ_DISP≦５０. ８ｍｍ ５°≦γ ５°≦δ ０. １３・ｆ_C ≦Ｗ_C ≦０. ４０・ｆ_C

【００３３】また、請求項５は数６を満足することを特
徴とする請求項２記載の反射型投射表示装置である。

【００３４】

【数６】５０. ８ｍｍ≦φ_DISP≦７６. ２ｍｍ ２°≦γ ２°≦δ ０. １３・ｆ_C ≦Ｗ_C ≦０. ２６・ｆ_C

【００３５】また、請求項６は、照明光軸と結像光軸と
が偏心するように配置されるか、または、コリメータレ
ンズが照明光軸から結像光軸に至る光路を偏心せしめる
ように用いられたことを特徴とする請求項１〜５のいず
れか１項記載の反射型投射表示装置である。

【００３６】

【発明の実施の形態】図２に機械的干渉を起こす比較例
を示す。用いられる構成部材は本発明のものと同様であ
るが、照明光学系と投射レンズ系が機械的干渉を起こし
ている状態の側面図を示す。

【００３７】図２において、投射レンズ系の鏡筒部の影
響がないものとして、光線の経路を説明する。照明光学
系の楕円鏡の第１焦点位置に置かれた光源から出射した
照明光束は、楕円鏡によって反射されて楕円鏡の第２焦
点位置に向かい、この位置に置かれた開口絞りによって
不要光がカットされ、かつ、この位置に置かれた均一化
プリズムレンズによって、明るさ分布がほぼ均一にさ
れ、開口絞りの面積の大きさを持った共役光源となる。

【００３８】この共役光源の各点から出射して色分解光
学系を通過した照明光束は反射型液晶表示面の直前に置
かれたコリメータレンズによってほぼ平行化されてこの
反射型液晶表示素子の入射面を通り、反対側に備えられ
た反射面によって反射されて再度液晶内を通過し液晶面
から出射してくる。さらに、同じコリメータレンズによ
って収斂光となり、結像光学系の開口絞り位置付近に照
明光学系の開口絞りとほぼ同サイズの大きさの共役光源
像を再度形成する。

【００３９】これらの光線が結像光学系内を通過する状
態について図２の側面図を参照する。図２の右手にある
反射型液晶表示素子の中心点Ｍから出射して投射レンズ
系の開口絞り（第２の開口）の中心部を通る光線は、投
射レンズ内を結像光学系のほぼ光軸上を通り投射レンズ
の中心部、すなわち投射像が結像される位置に向かう。

【００４０】また、反射型液晶表示素子の同じ中心部か
ら出射して開口絞りの上下の周辺部を通過する上下の光
束も投射レンズ群によって曲げられて投射画像の中心部
に向かう。これらの光束により側面断面上の投射画像の
中心画像が形成される。

【００４１】一方、反射型液晶表示素子の最上部Ｌから
出射して開口絞りの中心部とその開口絞りの上下端を通
過する３本の光線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、投射レンズ群に
よって曲げられて、側面断面上の投射画像の最下端部の
画像を形成する。

【００４２】また、反射型液晶表示素子の最下部Ｕから
出射して開口絞りの中心部とその開口絞りの上下端を通
過する３本の光線は、投射レンズ群によって曲げられ
て、側面断面上の投射画像の最上端部の画像を形成す
る。同様にして、反射型液晶表示素子の各画素に対応す
る投射画像が形成される。すなわち、投射スクリーン上
の画像と反射型液晶表示素子の画像は倒立関係となって
いる。

【００４３】ここで、反射型液晶表示素子の光学系は偏
心投射光学系となっているため、投射レンズ系内を通過
する光束は図２の場合、上側に寄った部分を通過する。
すなわち、投射レンズ系の光学素子は、前群側にいくに
したがって光線の通過しない部分が多くなり、結像に寄
与しない不要部分が多い構造となっている。

【００４４】一方、前述のように、反射型液晶表示素子
の光学系は、投射レンズ系の下側と照明光学系が機械的
干渉を起こしやすい構造となっているわけであるから、
投射レンズ系の結像に寄与する前述の光束が照明光学系
でケラレていない前提のもとに、投射レンズ系の光学素
子およびその鏡筒は、照明光学系の光学素子群と機械的
に干渉する投射レンズの部分を削り取ってもなんら投射
光学系の性能を損なうものではないことがわかる。

【００４５】しかし、一般的に投射レンズ系は、フォー
カス調整機能を有し、かつ、変倍機構を有するズームレ
ンズであることが多い。この場合、フォーカス調整やズ
ーミング時にはレンズ群の一部あるいはほとんど全部を
カム機構によってレンズ群を回転しながら動かすことが
多い。

【００４６】このため、この回転移動時も考慮して全て
の場合において結像に必要なレンズ群の有効部や鏡筒機
構を削り取らないことが重要である。但し、レンズ群が
回転しないで前後に動くことのみで上記の機能を達成で
きる機構もあり、その場合はこの限りではない。

【００４７】本発明においては、以上の内容を十分考慮
して、図２のように、照明光学系と干渉している部分に
は光学レンズが入らない構成とすることにより、楕円鏡
と機械的に干渉し、かつ、結像に寄与している光束がケ
ラレない範囲で投射レンズの一部を削り取ることによ
り、照明光束をなんら減少することなく小型化を達成す
る手段を提供するものである。

【００４８】前述のように、投射レンズ径内を通過する
光線は投射レンズの表示素子からスクリーン側に向かっ
て照明光学系反対側に寄っていく傾向がある。そのた
め、図２に示した構成において、投射レンズ系内の最も
照明光学系寄りの光線は、側面図内の液晶表示素子の対
角有効径φ_V の最上端点Ｌから出射して投射レンズ系内
の開口絞りの最下端を通過する光線である。あらゆる投
射条件におけるこの光線の最大径より照明光学系側の鏡
筒部分は切除してもスクリーン画像に対する影響はな
い。

【００４９】一方、本発明のような反射型投射表示装置
においては、照明光学系と投射レンズ系は表示素子に対
して常に同軸側に配置された偏心光学系を構成するた
め、機械的な干渉を起こしやすい。なかでも照明光学系
の反射鏡は明るさを確保するためにはある程度の大きさ
が必要となり、反射投射表示装置の小型化、高性能化、
製作の容易さの最大の障害となりやすい。

【００５０】さらに反射鏡の位置は特に楕円鏡のような
場合、図２のように投射レンズの中央真下になることが
多い。この場合、楕円鏡の第２焦点距離を長くして楕円
鏡を投射レンズの真下の位置からずらしたり、さらに平
面鏡等を置くことにより機械的干渉を避けることも考え
られるが、ランプ光束の集光効率が減少したり、あるい
は光学系が大きくなったり、部品点数が増加する弊害が
生じる。

【００５１】そこで、図２で機械的干渉を起こしている
部分の投射レンズ系の鏡筒の一部を図１のハッチングで
示した空間１３で示すような部分を削り取ることができ
れば機械的干渉が防げることになる。この切除できる部
分の大きさとその条件について以下に説明する。

【００５２】図１においては、液晶表示素子の短手方向
となるから、その方向の長さφ_V は液晶表示素子の対角
有効径をφ_DISPとすると、一般的にφ_V ＝０．６・φ
_DISPのように、φ_V は対角有効径φ_DISPと一定の比例関
係がある。このため、使用する液晶表示素子のサイズを
わかりやすくφ_DISPとして表現する。

【００５３】液晶表示素子の特定点（通常は対角中心
点）における法線と、照明光学系の光源中心と上記特定
点を結ぶ照明光軸とのなす角をγ、照明光学系の開口直
径をφ_L とし、上記特定点から照明光学系の開口部（第
１の開口）を見込む角をαとする。同様に、上記特定点
と投射レンズ開口中心とを結ぶ結像光軸と、上記法線と
のなす角をδ、投射レンズの開口部（第２の開口）の大
きさをφ_A とし、上記特定点から投射レンズの開口を見
込む角をβとする。また、液晶表示素子の上記特定点に
対する法線と照明光学系の開口中心との距離をΔＬ、同
様に上記特定点の法線と投射レンズ開口中心との距離を
ΔＡとし、コリメータレンズの焦点距離をｆ_C とする。

【００５４】一方、反射鏡の有効径をφ_M 、その短手方
向、すなわち液晶表示素子のφ_V と同じ方向における長
さをφ_R とし、投射レンズの最大直径をφ_P 、投射レン
ズのレンズ群の間隔のうち、最も最大の間隔（通常は前
群レンズと後群レンズの間隔）をｄ_f とする。

【００５５】まず、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
７の関係が成り立つ。

【００５６】

【数７】(7A)：ΔＬ≒ｆ_C ・ｔａｎ（γ） (7B)：φ_L ≒ｆ_C ・ｔａｎ（γ＋α／２）−ｆ_C ・ｔａ
ｎ（γ−α／２） (7C)：ΔＡ≒ｆ_C ・ｔａｎ（δ） (7D)：φ_A ≒ｆ_C ・ｔａｎ（δ＋β／２）−ｆ_C ・ｔａ
ｎ（δ−β／２）

【００５７】ここで、照明光学系と結像光学系の開口絞
りが重なってはならないため、これを避けるためには、
式（8A）とすることが好ましい。上式は、さらに式（8
B）、式（8C）となる。

【００５８】

【数８】 (8A)：ΔＬ−φ_L ／２≧０、かつ、ΔＡ−φ_A ／２≧０ (8B)：ΔＬ−φ_L ／２＝ｆ_C ・ｔａｎ（γ）−ｆ_C ・
｛ｔａｎ（γ＋α／２）−ｔａｎ（γ−α／２｝／２≧
０ (8C)：ΔＡ−φ_A ／２＝ｆ_C ・ｔａｎ（δ）−ｆ_C ・
｛ｔａｎ（δ＋β／２）−ｔａｎ（δ−β／２）｝／２
≧０

【００５９】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も同様範囲とすると、次の数９の関係がほぼ成立す
る。これより、数１０の関係が導かれる。

【００６０】

【数９】ｔａｎ（γ) ≒γ ｔａｎ（δ) ≒δ ｔａｎ（γ＋α／２）≒γ＋α／２ ｔａｎ（γ−α／２）≒γ−α／２ ｔａｎ（δ＋β／２）≒δ＋β／２ ｔａｎ（β−β／２) ≒δ−β／２

【００６１】

【数１０】ΔＬ−φ_L ／２≒ｆ_C ・γ−ｆ_C ・｛（γ＋
α／２）−（γ−α／２）｝／２＝ｆ_C ・（γ−α・
２）≧０

【００６２】以上のことから、数１１が成り立つことが
必要条件となる。

【００６３】

【数１１】(11A) ：α≦２γ (11B) ：β≦２δ

【００６４】一方、投射レンズ系の最大直径φ_P はどん
なに大きくとも照明光学系の開口中心位置より小さくし
て置かないと光源反射鏡だけではなく、光源ランプとぶ
つかってしまうおそれがあるため、これ以上大きくしな
いほうが好ましい。この量をＭax（φ_P ）とする。

【００６５】また、光源反射鏡の水平方向（図２の上下
方向）の位置は反射鏡の焦点距離設計によってある程度
変更可能であり、機械的干渉の大きさは投射レンズの光
軸方向（図２の水平方向）よりも投射レンズの直径方向
（図２の上下方向）が支配的であるから、この直径方向
の切除可能量をＭax（Ｗ_C ）とすると、この量が機械的
干渉を避けうる主要なパラメータであると考えられる。
また、ΔＬ、ΔＡ、φ_P 、ｄ_f 、γ、φ_R 、φ_M 、Ｗ_C
の間には数１２の関係が成り立つ。

【００６６】

【数１２】(12A) ：Ｍax（φ_P ）≒２・（ΔＬ＋ΔＡ） (12B) ：φ_R ＝２・（ΔＬ＋ΔＡ−φ_A ／２＋ｄ_f ・ｔ
ａｎ（γ）） (12C) ：φ_M ＝φ_R ／ｃｏｓ（γ） (12D) ：Ｍax（Ｗ_C ）≒Ｍａｘ（φ_P ）−φ_A ／２

【００６７】一方、透過散乱型の液晶表示素子の優れた
透過・散乱効果を発揮するためには、この入射角／反射
角の角度はある程度小さい方が好ましい。一般に数１１
の範囲内の角度が好ましい。さらに、前述の数１０から
数１３の条件を満たすことが好ましい。

【００６８】

【数１３】(13A) ：２°≦γ≦１５° (13B) ：２°≦δ≦１５°

【００６９】また、使用する液晶表示素子のサイズを対
角有効径φ_DISPで表すと、これに対してコリメータレン
ズの焦点距離ｆ_C は、数１０の小さい入射／反射角度と
投射表示装置の小型化を併せて考慮すると、どんなに広
くても数１４の範囲であることが好ましい。

【００７０】

【数１４】φ_DISP≦ｆ_C ≦３・φ_DISP

【００７１】ここで反射投射表示装置のサイズは、液晶
表示素子に対する入射角を意味するγ、反射角を意味す
るδ、使用する液晶表示素子のサイズφ_DISP、照明光学
系の光源反射鏡の有効径φ_M 、コリメータレンズの焦点
距離ｆ_C 等によって大きく変わる。また、これらの諸パ
ラメータにより投射レンズのＷ_C の値も大きく変わるた
め、このＷ_C の量がどのくらいになるか、使用する液晶
表示素子のサイズとコリメータレンズの焦点距離をパラ
メータとして具体的にその量についての計算シミュレー
ションを行った。

【００７２】表１から表９に、数１１〜数１４迄の条件
を満足する範囲で、コリメータレンズの焦点距離を１イ
ンチ毎に変えたときの、各項目の値を計算したデータを
示す。

【００７３】但し、投射レンズのレンズ群の最も最大の
間隔ｄ_f については、投射レンズの設計にも大きく依存
するが、通常投射レンズの焦点距離はコリメータレンズ
の焦点距離よりも小さく、レンズ群の間隔もそれほど大
きく取れないため、コリメータレンズの焦点距離の約１
／３と仮定した。実際にはこの切除量に対する影響は、
数１２の(12B) 式でわかるように、他の量に比べて大き
な影響はないと考えられる。

【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】

【表９】

【００８３】ここで、図４を参照して本発明の全体構成
を説明する。照明光学系の楕円鏡２の第１焦点位置Ｆ₁
の位置に光源１、楕円鏡の第２焦点位置Ｆ₂ に第１の開
口４と照明光束の均一化プリズムレンズ、反射面を備え
た反射型液晶表示素子８、液晶表示面の法線を中心光軸
として、交差角度γを有する照明光軸と中心光軸、交差
角度δを有する結像光軸と中心光軸、表示素子の対角サ
イズφ_V 、反射型液晶表示素子の短手方向断面の中心点
Ｍ、この中心点から第１の開口４を見込む角α、中心点
Ｍから第２の開口１１を見込む角βが設けられる。

【００８４】このとき、実際には照明光束の入射中心点
と反射型液晶表示素子から出射する出射中心点は、表示
素子中での屈折および反射の影響で若干ずれるが、全体
の寸法に比較して小さいので、設計上の中心点Ｍを代用
する。

【００８５】そして、コリメータレンズ７の焦点距離ｆ
_C 、最大径Ｗ_C によって空間１３が形成された鏡筒１
０、および、筐体１４を備え、φ_DISP≦ｆ_C ≦３・φ
_DISP、γ≦１５°、δ≦１５°、α≦２・γ、β≦２・
δ、および、光源の発光中心点と照明光軸との距離Ｌ_d
が０．４・φ_V ≦Ｌ_d ≦１．５・φ_V の関係を満たすよ
うに設けられた反射型投射表示装置の模式的な側面図で
ある。

【００８６】この構成では、反射型液晶表示素子８を単
板フルカラー構成としたが、３枚の反射型液晶表示素子
８を設け、さらに、照明光学系から結像光学系に至る光
路の途中に、色分離合成用ダイクロイックミラーを設け
て、ＲＧＢ３板色分離合成方式の反射型投射表示装置と
してもよい。また、その他の光学補助手段を配置しても
よい。

【００８７】また、図中、光線の軌跡を示しており、中
心点Ｍから出射する光束をＭ_d 、液晶表示素子の上端側
から出射する光束をＵ_P 、液晶表示素子の下端側から出
射する光束をＬ_o としている。次に上述した表１〜１６
について説明する。

【００８８】まず、表１においては、コリメータレンズ
の焦点距離を１型（インチサイズ）としたとき、すなわ
ち、液晶表示素子の対角サイズは１インチサイズ以下の
場合であるが、この場合、計算例１−ａ〜１−ｄでは切
除可能量を意味する切り欠き深さＷ_C は非常に小さく、
かつ、光源反射鏡の有効径φ_R も小さいため、実用上製
作困難、または機械的干渉を避ける効果が乏しい。やは
り、光学装置がどんなに小さくとも１−ｅ〜１−ｈ位の
γ、δの角度条件、Ｗ_C 、φ_R 量が好ましい。

【００８９】次に、表２ではコリメータレンズの焦点距
離ｆ_C を２インチサイズとしたとき、すなわち、液晶表
示素子の対角サイズは１インチサイズ〜２インチサイズ
の場合であるが、この場合、計算例２−ａ〜２−ｂで
は、切り欠き深さＷ_C は非常に小さく、かつ、光源反射
鏡の有効径φ_R も小さいため、実用上製作困難、または
機械的干渉を避ける効果が乏しい。

【００９０】やはり、光学装置がどんなに小さくとも２
−ｃ〜２−ｈ位の範囲のγ、δの角度条件、Ｗ_C 、φ_R
量が望ましい。以下同様に、表３〜表６では、３−ｃ〜
３−ｈ位の範囲内のγ、δの角度条件、Ｗ_C 、φ_R 量が
好ましい。

【００９１】また、表７〜表９では２インチサイズを超
えて３インチサイズまでの液晶表示素子を使用する場合
の各値を示しているが、今度はγ、δが１０度を超える
と光源反射鏡のサイズが計算上でも大きすぎて、切除量
の計算としては無意味になってくる。また、実際の反射
鏡の有効径はこれほど大きくする必要もないため、機械
的干渉をあまり考慮する必要がなくなると考えられる。
すなわち、表７では、７−ａ〜７−ｆ、表８では同様に
８−ａ〜８−ｆ、表９では９−ａ〜９−ｆ迄の条件範囲
が好ましい。

【００９２】以上の説明のように、照明光学系の光学素
子と機械的干渉を起こさないように、切り欠き深さＷ_C
までの直径方向の深さで直交する弦と円弧のなす投射レ
ンズ系の結像に寄与しない部分の光学素子またはその鏡
筒部分の一部を切り取った形状にすることが可能であ
る。一定の大きさの液晶表示素子の寸法に対して、照明
光学系の光学素子と、結像光学系の機械的干渉を防ぐこ
とを可能とする手段は、上述した数４または数５または
数６を満足することが好ましいことがわかる。

【００９３】一方、図３に、楕円鏡の直後に反射鏡を置
いて照明光学系の光軸を折り曲げる構造にして機械的干
渉を少なくしようとした従来の構成を示す。この場合、
楕円鏡の機械的干渉の程度がかなり減少しているように
見える。しかし、今度は挿入した反射鏡が結像光学系と
干渉してしまう可能性がある。すなわち、この場合にお
いても前述のような結像に寄与しない投射レンズの下側
部分を削り取る手段は有効である。

【００９４】また、図２において、矩形の反射鏡はその
周辺部や隅角部が、楕円鏡の一部と機械的に干渉しやす
くなるが、照明光学系から出射される照明光束は円形ま
たは楕円であることが多いため、反射鏡のこの干渉部分
について、殆ど照明光束を切らない程度で切り取ること
は十分有効な手段である。

【００９５】以上、上記請求項に記載したように、偏心
配置にした反射型投射表示装置の結像光学系の投射レン
ズや照明光学系の反射鏡に関して、結像に寄与しない部
分の光学素子またはその鏡筒部分の一部を切り取った形
状に設ける。このことにより、照明光学系の光学素子と
結像光学系の機械的干渉を防ぐことを可能とし、反射型
液晶表示素子の入射光束や反射光束の角度を大きくする
ことなく、かつ、照明光学系の明るさを低下させること
のない、超小型の反射型投射表示装置が実現可能とな
る。以下、本発明の実施例について説明する。

【００９６】

【実施例】

（例１）図１において、照明光学系と投射レンズ系の開
口絞り１１の位置が反射型液晶表示素子８からほぼ等距
離の位置にあるように全体の光学系を偏心するように、
投射光学系が配置された。

【００９７】照明光学系と開口絞り１１の中心間距離が
４０ｍｍ、使用する楕円鏡２の口径が８０ｍｍφ、使用
する楕円鏡の第１焦点距離が１６ｍｍ、第２焦点距離が
８６ｍｍに設定した。このままでは、楕円鏡２の上部と
結像光学系の下側、つまり鏡筒１０が機械的に干渉して
しまった。

【００９８】しかし、投射レンズ系を通過して投射され
る最下端の光束が、いかなるレンズ群の駆動時において
も、結像光学系の光軸から下側に２０ｍｍ未満とするこ
とができたため、投射レンズ光学系の照明光学系側で、
前側端から長さ３０ｍｍ〜７０ｍｍ、かつ、投射レンズ
系の光軸から２０ｍｍから外に位置する鏡筒の部分を空
間とした。

【００９９】言い換えると、通常は円錐体もしくは円柱
のような形状を有する鏡筒の一部を切り取ったような形
状とした。このような投射レンズ系の構成により、照明
光学系の光学素子と結像光学系の機械的干渉を防ぐこと
ができ、反射型液晶光学素子の入射光束や反射光束の角
度を大きくすることなく、かつ、照明光学系の明るさを
低下させることのない、小型の反射型投射表示装置が可
能となった。

【０１００】基本的には図４の構成例と同様であるが、
ダイクロイックミラー５、６を備えた３板色分離合成方
式の反射型投射表示装置である。反射型液晶液晶素子の
上記特定点に対する法線と照明光学系の開口中心との距
離ΔＬ、照明光学系の対角径φ_L 、上記特定点の法線と
第２の開口中心との距離ΔＡ、実効的な投射レンズの開
口直径φ_A 、楕円鏡の表示素子面方向の有効長φ_R 楕円
鏡の有効径φ_M 、投射レンズ群の最終レンズの直径φ_P
（投射レンズの最大直径）、および、投射レンズのレン
ズ群のうち、最も最大の間隔ｄ_f が図示されている。

【０１０１】また、光束の進行状態が図示されており、
中心点Ｍから出射する光束の中心光線と、開口絞りの上
端を通る周縁光線、開口絞りの下端を通る周縁光線、な
らびに、液晶表示素子の表示有効上端Ｌから出射する光
束の中心光線Ｌ１、開口絞りの上端を通る周縁光線Ｌ
２、開口絞りの下端を通る周縁光線Ｌ３、および、液晶
表示素子の表示有効下端Ｕから出射する光束の中心光
線、開口絞りの上端を通る周縁光線、投射レンズ系の開
口絞りの下端を通る周縁光線が示されている。

【０１０２】また、液晶表示素子の有効上端Ｌにおける
垂線がＣ２であって、結像光軸とほぼ一致する。液晶表
示素子の有効下端Ｕにおける垂線がＣ１であって、第１
の開口の中心点をほぼ通過する。Ｃ１は液晶表示素子の
中心点、すなわち入射／出射点を通過する垂線であっ
て、上記の中心光軸である。

【０１０３】

【発明の効果】本発明によれば、超小型で軽量・薄型の
投射型光学装置、すなわち、パソコン画面を投射するデ
ータプロジェクター、および、一般ＴＶ放送を投射表示
できる実用性のある液晶プロジェクターを作成できた。
また、投射画像の品位も良好であり、高コントラストで
明るい画像を表示できるようになった。

【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断面
図。

【図２】楕円鏡が機械的干渉を起こしている反射型光学
系の側面図。

【図３】反射鏡が機械的干渉を起こしている反射型光学
系の投射レンズ側前面図。

【図４】本発明の単板方式における構成例の側面図。

【符号の説明】

１：光源 ２：楕円鏡 ３：光源の均一化プリズムレンズ ４：第１の開口 ５、６：色分離合成用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：反射型液晶表示素子の反射面 １０：鏡筒 １１：第２の開口 １２：楕円鏡 １３：空間 １４：筐体 γ：液晶表示面の光軸と照明光学系の光軸との傾角 δ：液晶表示面の光軸と結像光学系の光軸との傾角 α：表示素子の入射中心点から光源系の開口を見込む角 β：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 ΔＬ：液晶素子の上記特定点に対する法線と照明光学系
の開口中心との距離 φ_L ：照明光学系の開口直径 ΔＡ：上記特定点の法線と投射レンズ開口中心との距離 φ_A ：投射レンズの開口直径 ｆ_C ：コリメータレンズの焦点距離 φ_M ：反射鏡の有効径 φ_R ：反射鏡の短手方向の長さ φ_P ：投射レンズの最大直径を ｄ_f ：投射レンズのレンズ群のうち、最も最大の間隔 Ｗ_C ：切除可能な最大径 Ｍ：中心点 Ｌ：上端点 Ｕ：下端点

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０ Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｄ 33/12 33/12

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と第１の開口が備えられた照明光学
   系、散乱機能を有する表示素子、反射機能層、コリメー
   タレンズ、第２の開口、投射レンズ群が備えられた投射
   光学系が設けられ、光源から出射された照明光束は第１
   の開口を通り、表示素子を通過し反射機能層で反射さ
   れ、再び表示素子を通過して表示光束とされ、コリメー
   タレンズによって第２の開口にほぼ集束され、第２の開
   口を通り、投射レンズ群のなかの所望の位置にほぼ結像
   せしめられてなる投射光学装置であって、照明光束の照
   明光軸が表素素子面と中心点で交わり、中心点を通る表
   示素子面のほぼ垂線を中心光軸とし、中心点から第２の
   開口の略中心を通る光軸を結像光軸とし、照明光軸と中
   心光軸は両者を含む面内で交差角度γを有し、結像光軸
   と中心光軸は両者を含む面内で交差角度δを有し、表示
   素子の対角サイズをφ_DISP、中心点から第１の開口を見
   込む角をα、表示素子の出射中心点から第２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 、投射
   レンズ群の最終レンズの直径をφ_P 、φ_DISP≦ｆ_C ≦３
   ・φ_DISP、γ≦１５°、δ≦１５°、α≦２・γ、β≦
   ２・δの関係が満たされ、表示素子の１方向の有効寸法
   をφ_V とすると、光源の発光中心点と照明光軸との距離
   Ｌ_d が０．４・φ_V ≦Ｌ_d ≦１．５・φ_V の関係を満た
   すことを特徴とする反射型投射表示装置。
2. 【請求項２】投射レンズの保持機構が備えられ、その外
   周から結像光軸に向かう方向の最大深さをＷ_C とする
   と、深さＷ_C の位置でほぼ直交する弦と、円弧のなす領
   域が空間部として設けられたことを特徴とする請求項１
   記載の反射型液晶表示装置。
3. 【請求項３】数１を満足することを特徴とする請求項２
   記載の反射型投射表示装置。 【数１】φ_DISP≦２５. ４ｍｍ １０°≦γ １０°≦δ ０. ２６・ｆ_C ≦Ｗ_C ≦０. ４０・ｆ_C
4. 【請求項４】数２を満足することを特徴とする請求項２
   記載の反射型投射表示装置。 【数２】２５. ４ｍｍ≦φ_DISP≦５０. ８ｍｍ ５°≦γ ５°≦δ ０. １３・ｆ_C ≦Ｗ_C ≦０. ４０・ｆ_C
5. 【請求項５】数３を満足することを特徴とする請求項２
   記載の反射型投射表示装置。 【数３】５０. ８ｍｍ≦φ_DISP≦７６. ２ｍｍ ２°≦γ ２°≦δ ０. １３・ｆ_C ≦Ｗ_C ≦０. ２６・ｆ_C
6. 【請求項６】照明光軸と結像光軸とが偏心するように配
   置されるか、または、コリメータレンズが照明光軸から
   結像光軸に至る光路を偏心せしめるように用いられたこ
   とを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の反射
   型投射表示装置。