JPH11311762A - 液晶プロジェクタの照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】照明角に高度なテレセントリック（光線が光軸
と平行な状態）性が要求された場合に、フライアイレン
ズ及び光学的補正手段の最低限の部品追加で、高効率・
高品位なフライアイ照明光学系の構築する。 【解決手段】第１焦点に置かれた光源より発する光を第
２焦点に集光反射させる楕円リフレクタ１２と、前記楕
円リフレクタより発する光を任意複数に分割し、それぞ
れの分割部に入力された光を液晶パネル１８の全体が照
射されるように出射するように構成されたフライアイレ
ンズ部１４と、集光レンズ１５と、投射レンズ２０とを
具備した装置において、フライアイレンズ部よりみた前
記楕円リフレクタの有効径が小さくなるように光学的補
正を行う光学的補正手段１３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光源ランプと液晶パ
ネルを用いた液晶プロジェクタ、液晶プロジェクション
テレビ等に有効な液晶プロジェクタの照明装置に属す
る。

【０００２】

【従来の技術】比較的大きな照明発散角が許容される３
板式やカラーフィルタを用いた単板方式の液晶パネルの
照明装置については、特開平５−３４６５５７号公報や
論文「異形開口レンズアレイによるプロジェクタ用照明
光学系」（MICRO OPTICS NEWSVol.14/No3 1996-9-26
）等に開示されている。この装置では、有限長光源か
らの出射光を効率よく液晶へ集光させることが可能とな
っている。

【０００３】しかしながら、耐熱条件より現状光源形状
を維持したままで更なる小型化を図ろうとすれば、液晶
パネルは更に小型化することになり、光源原理から、一
定光源より発する光を集光照明する面積が小さくなれ
ば、その分照明発散角は拡大する。

【０００４】一方、投射条件では、液晶が微細化（小型
高精細化）するに従い解像度や諸性能を達成するために
は、液晶透過発散角は、寧ろ小さくしなければ現状コス
トは維持できない。

【０００５】従って、照明発散角をより小さくすること
で液晶透過発散角を小さくし、投射レンズの負担を軽減
する必要があることは自ずと導かれる。そして従来の照
明手段では集光効率を維持したままで照明発散角を小さ
くする手段は光路長延長以外の具体的解決策が示されて
おらず、これは小型化の主目的に相反する結果となる。

【０００６】併せてこれから説明する図１、図２に示す
液晶画素毎に配されたマイクロレンズと角度偏差を持た
せて分光・照射するダイクロイックミラーによるマイク
ロレンズカラーセパレーション方式照明光学系等では、
原理的に照明発散角が非常に厳しいために、多画素化に
伴って多大な光路長が確保できたとしても、結果として
フライアイレンズの光源側の有効な発散角範囲は縮小
し、高集光効率確保可能な有効な光学系構築手段が示さ
れていないのが現状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこでこの発明は、装
置全体の小型化を実現しつつ、フライアイレンズにおけ
る光利用効率を向上し、液晶プロジェクタの表示性能の
向上も得ることができる液晶プロジェクタの照明装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するために、第１焦点に置かれた光源より発する光
を第２焦点に集光反射させる楕円リフレクタと、前記楕
円リフレクタと液晶パネルの間に配され、前記楕円リフ
レクタより発する光を任意複数に分割し、それぞれの分
割部に入力された光を前記液晶パネルの全体が照射され
るよう出射するフライアイレンズと、前記フライアイレ
ンズから前記楕円リフレクタを見た前記フライアイレン
ズの仮想複数光源より、前記液晶パネルに向かい発する
光を略平行光に制御する集光レンズと、前記集光レンズ
より出射される光を映像信号にあわせて透過量を制御す
る前記液晶パネルと、前記液晶パネルの通過光をスクリ
ーンに拡大投影する投射レンズより構成される液晶プロ
ジェクタに於いて、前記フライアイレンズよりみた前記
リフレクタの有効径が小さくなる光学的補正手段を前記
リフレクタと前記フライアイレンズ間の光学路に配置し
たことを特徴とするものである。これにより、前記フラ
イアイレンズは現状フライアイの小さなＮＡのままで前
記楕円リフレクタからの光を有効に利用できるようにな
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。図１は、光学系にこの発明が適
用されたマイクロレンズカラーセパレーション方式液晶
プロジェクタを示している。

【００１０】１１はメタルハライドランプあるいは高圧
水銀ランプによる光源であり、本方式原理から必然的に
小さなフライアイ構成をとっており、元来、楕円リフレ
クタ１２を用いてフライアイレンズ部１４の第１素子に
集光するように制御反射を行っている。この楕円リフレ
クタ１２で集光反射された光は、この発明の特徴部を構
成する光学的補正手段１３を通して、フライアイレンズ
部１４に入射される。フライアイレンズ部１４は、第
１、第２のフライアイレンズで構成され、楕円リフレク
タ１２より発する光を任意複数に分割し、それぞれの分
割部に入力された光を液晶パネル１８の全体を照射する
ように出射する。フライアイレンズ部１４のフライアイ
レンズは、例えば水平垂直方向に４つのレンズアレイを
対向させた形で構成されている。

【００１１】フライアイレンズ部１４から出射された光
は、集光レンズ１５により集光されて光軸に対して傾斜
して３枚がほぼ重なるように配置されたダイクロイック
ミラー１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇに入射される。

【００１２】ここでダイクロイックミラー１６Ｒは、赤
の波長帯域の光を９０度方向へ反射し、ダイクロイック
ミラー１６Ｂは、青の波長帯域の光を９０度よりも鈍角
な方向に反射し、ダイクロイックミラー１６Ｇは、緑の
波長帯域の光を９０度よりも鋭角な方向に反射する。ダ
イクロイックミラー１６Ｒ，１６Ｂ，１６Ｇから反射さ
れた光はいずれも偏板板１７を通して、液晶パネル１８
に照射される。液晶パネル１８は、図示しない液晶ドラ
イブ回路から供給される映像信号に応じて、各Ｒ，Ｇ，
Ｂのセルの光透過量が制御されている。

【００１３】液晶パネル１８から出射された光空間変調
像、つまりカラー光学像は、検光子１９を介して投射レ
ンズ２０に入射される。投射レンズ２０は、入射したカ
ラー光学像を拡大してスクリーンに投射する。背面投射
あるいは前面投射のいずれのタイプでもよい。

【００１４】図２は、図１の点線円形で囲む部分を一部
拡大して示している。図２に示すように、このプロジェ
クタ装置は、マイクロレンズカラーセオパレーション方
式であり、液晶パネル１８は、液晶表示素子１８ａの前
面にマイクロレンズ１８ｂが配置されている。このマイ
クロレンズ１８ｂの各レンズ部は、液晶表示素子１８ａ
の各信号電極に対応するもので、マイクロレンズ１８ｂ
の１つのレンズ部が表示素子の３（Ｇ，Ｒ，Ｂ）つの開
口部（１カラー画素分の開口部）に対応する如く配置さ
れている。

【００１５】図２において、各開口部Ｒ，Ｇ，Ｂに入射
する光１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂはそれぞれ、ダイクロイ
ックミラー１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂから出射されたもの
である。光１８Ｒは、直進してくるので、マイクロレン
ズ部の真下の開口（赤用）に入射する。しかし、他の光
１８Ｇ，１８Ｂはそれぞれマイクロレンズ部に対して角
度を持って入射するために、集光する位置が赤用の開口
からずれている開口、つまり各Ｇ，Ｂ用の開口に入射す
る。

【００１６】これにより、液晶パネル１８から出射され
る光学像は、カラー光学像として出力されることにな
る。ここで、上記の照明装置及び各部に要求される項目
を述べると以下のようになる。

【００１７】図３ようにの光１８Ｒと１８Ｒ’とのなす
角度θは本ライトバルブとして有効となる有効照明角で
あり、高精度で小さい角度が要求される。液晶の高精細
化が進むと、有効照明角も小さくなるとともに高精度化
も要求される。照明条件がこの有効照明角を確保できな
かったり、光学部品配置誤差等にて有効照明角を超えて
いくと、照明光として有効にならないばかりか、液晶非
有効部を照射し発熱・迷光源となり、悪影響を及ぼし、
さらに角度が大きくなると、照明光がとなりの開口部へ
漏れ込みいわゆる混色の原因となり、色純度が維持でき
なくなる不具合が発生する。

【００１８】一方、フライアイレンズ部１４は、楕円リ
フレクタ１２からフライアイレンズの素子Ａの各々のレ
ンズアイに照射された光を集光レンズ１５にて桔像させ
るリレーレンズとして機能するとともに、集光レンズ１
５にて桔像状態を維持したまま液晶パネル１８へ重畳平
均化される、ここで有効照明角θの大きさは液晶位置よ
りみたフライアイレンズ１４の大きさにより影響を受け
る。

【００１９】これはフライアイレンズ１４がリフレクタ
より集光した光を分割重畳するためフライアイ形状に応
じた複数の仮想光源を有するためであり、上記の有効照
明角を小さくするためには、仮想光源の分布範囲を小さ
くする、即ち超小型のフライアイレンズが要求されるこ
とになる。このためフライアイ分割数と併せてフライア
イへの有効入射発散角（ＮＡ）も小さくならざるを得な
いと言うところにある。したがって、光利用効率確保の
ためには、フライアイより要求される楕円リフレクタ１
２は、小さくするか又は有効角範囲に収まるまでフライ
アイレンズ１４からリフレクタまでの距離を大きく取る
必要が生じる。

【００２０】しかし他方では、熱問題からリフレクタの
小型化には制限があるとともに有限長を有する現実光源
で、フライアイレンズ１４からリフレクタまでの距離を
大きくとると、有限アークによる反射指向性から効率よ
く小型フライアイレンズ１４にや集光できないためであ
る。

【００２１】そこでこの発明は、フライアイレンズ部１
４の設計条件を満足しつつ、また楕円リフレクタ１２の
設計条件を満足しつつ上記の難題を解決し、装置全体の
小型化を実現しつつ、フライアイレンズにおける光利用
効率を向上し、液晶プロジェクタの表示性能の向上も得
る用にしている。

【００２２】その具体的手段の例としては、図１に示す
ようにフライアイレンズ部１４よりみた楕円リフレクタ
１２の有効径が小さくなる光学的補正手段１３を設けて
いることである。

【００２３】図４には上記の光学的補正手段１３の他の
具体的形状の例を示している。図４の例は、フライアイ
レンズ部１４と楕円リフレクタ１２の開口との間におい
て、光軸を同軸とする円錐レンズ２１を設けている。図
に示すようにメタルハライドランプ、高圧水銀ランプ等
による光源１１を用いた場合、光源１１から第２焦点ｆ
２までは、光軸及び光軸の周りには光が到達しない構造
となっている。これは中抜けと言われる。この装置は、
この中抜けの影響で光りが不均一になることも防止して
いる。

【００２４】つまりフライアイレンズ部１４からみたリ
フレクタ系が小さくなる、即ちフライアイ入射角が小さ
くなる光学手段として、円錐レンズ２１を適用した実施
例である。図よりわかるように、フライアイレンズ部１
４のＮＡと楕円リフレクタ１２のアーク特性に鑑み、最
も適切な円錐レンズ頂角を適用することで、フライアイ
入射角を半減することが可能である。また同時に、中抜
けの部分に対応して、円錐レンズ１２の出射光は、光軸
にて光がミックスされるため、少ないフライアイ分割数
でも高品位な照明系が構築可能である。特に最近主流と
なりつつある高圧水銀ランプはアーク安定性が悪いた
め、非常に有効な手段である。

【００２５】図５（Ａ）は、更にこの発明の他の光学的
補正手段１３の具体的形状の例を示している。図５
（Ｂ）は、一部を拡大して示している。この例は、円錐
レンズ２１が楕円リフレクタ１２の第２焦点ｆ２を跨ぐ
ように配置することで、より光のミックス頻度を向上さ
せ、照明品位向上を図ったものである。即ち楕円リフレ
クタ１２が第２焦点ｆ２上に配置される。

【００２６】この例によれば光束ミックス頻度は向上す
るものの、フライアイ入射光のテレセン性はやや劣化す
るため、集光レンズ２２を配してもよい。そして第１フ
ライアイレンズ１４ａの光源側にレンズ処理を施すこと
で、テレセン性を図３の例程度まで復活させている。

【００２７】この例では円錐レンズ２１のみならず、さ
らに集光レンズ２２が追加されるが、集光レンズ機能は
フライアイレンズ１４ａの光源側および円錐レンズ２１
の形状を工夫することで集光レンズ２２の機能を含有さ
せることが可能であるため、殆どの場合において素子追
加はない。

【００２８】図６の例は、楕円リフレクタ１２とフライ
アイレンズ部１４間で、光軸の折り曲げが必要となった
場合に、先の凹レンズ２３と同様効果の得られる凸ミラ
ー２４を追加した実施例である。プロジェクタの光学サ
イズが限定され、ミラーの追加を余儀なくされた場合、
最も高効率となる凹レンズを配置することが不可能とな
る場合、このように凸ミラー２４を利用すれば、同様の
効果が得られ、且つ、構成前提条件としてもともと必要
であったミラーの変形であることから、部品数の追加な
く効率向上効果が得られ、より低コストにて本発明適用
が可能となる。

【００２９】次に、本発明に至る背景となった思考経過
を示すことにする。このリフレクタ１２を見るフライア
イレンズ部１４は、ある程度の照明角余裕があれば小型
・高効率にて実現可能であるが、マイクロレンズカラー
セパレーション方式では、高精細傾向から多画素化が要
求されると、パネルが大きくなり投写レンズのＮＡが確
保できないかまたは液晶開口率が非常に小さくなり、何
れにしろ有効照明角θが小さくなるのが常である。

【００３０】水平方向のみに着目した例を示せば、液晶
表示素子における開口率４０％以上を確保するために水
平画素ピッチＷp が９０μｍであったとすれば、各ドッ
トピッチＷd は３０μｍ、開口幅２Ｗo は２０μ程度と
なる。

【００３１】このときの液晶サイズを通常テレビを意識
してＶＧＡクラス解像度のワイドアスペクト比とすれ
ば、パネルサイズは、３．５インチ程度となる。民生を
意識した光学システムにて、この解像度とサイズとコス
トを意識すれば、Ｆnoは２程度を限界と考えるのが常識
である。よって投写レンズの硝子内での集光角範囲Θは
９．４７度程度となる。この中に第５図に示す全ての液
晶透過光が有効光となるマイクロレンズから液晶セル間
距離Ｌは、５１０μｍ程度となる。これに対する照明側
から見た有効照明角範囲θは１．７１度程度となる。

【００３２】仮に液晶からフライアイレンズ部までの距
離Ｌcdを３００mmとすると、許されるフライアイレンズ
部の最大水平サイズＷf は１７．９mm程度となる。仮に
フライアイレンズ部を水平方向で４分割するとすれば、
１面当たりの水平幅Ｗfpは４．５mm程度となる。

【００３３】次に以上の条件より求まるフライアイレン
ズ部のＮＡを算出する。液晶サイズは上式より７６．８
mmであるから、第１と第２のフライアイレンズ間隔ｄは
４．５mm程度となる。よってフライアイ有効集光角θfe
は７．３度程度であり即ちフライアイのＮＡfeは０．１
３ 程度に過ぎない。

【００３４】仮にリフレクタ開口部から第１フライアイ
レンズまでの距離Ｌr を１５０mmとすると、許されるリ
フレクタの有効開口径φは３８．４mm程度である。当然
ながら楕円リフレクタ１２にも幾つかの制約が存在す
る。まずは熱問題からランプ電力に応じて楕円リフレク
タ１２の最短反射部までの距離、つまり第１焦点距離ｆ
1 がある数値以上である必要が生じる。ランプ破裂時の
危険防止から保護硝子等にて密閉すると、当然この値も
拡大させる必要が生じる。具体例では、仮に高輝度を狙
って２５０Ｗランプ等を使用すると、熱膨張係数αが３
４〜３８程度の従来硝材や蒸着コートの耐熱性から上記
ｆ1 は最低でも１２mmは必要となる。

【００３５】ここでランプの配光特性を考慮する必要が
生じる。一般にランプの発光範囲は１３０度程度である
ため、かなりの立体角範囲をカバーしなければ配光特性
損失が大きくなり、高効率フライアイを使用する意味を
失う。

【００３６】７０％以上をカバーするとした場合の開口
径はおよそ９０mmφに達する。従って開口３２mmφの楕
円リフレクタでは、配光カバー率が極端に少ないか、極
小電力ランプかまたは高価な結晶化硝子材使用のリフレ
クタと多くの冷却工夫が必要となる。

【００３７】この不具合を避けるために楕円リフレクタ
の第２焦点を大きくとり、集光角範囲をフライアイ部１
４のＮＡにマッチングさせる手段が考えられる。９０mm
φの全面をカバーするフライアイ部１４とリフレクタ間
距離Ｌf は３５０mm程度。

【００３８】以上の条件を満たす楕円鏡パラメータは概
略以下の通りとなる。ｆ1 ＝１２mm，ｆ2 ＝４００mm，
ｆ＝１９４mm，長軸ａ＝２０６mm，短軸ｂ ６９．３m
m，有効開口径 ９０mm、開口部Ｘo ＝４９．５mm，楕
円リフレクタの開口部〜フライアイ間距離Ｌf ３５０
mm このとき、光源ランプの発光範囲Ｌarc （アーク長）が
１．５mmであったとし、ランプ固着のためのネック側開
口位置Ｘk ＝２mmとしたとき、ネック開口ｄφは１９．
３mm程度。ｆ1 より最短反射面Ｖ位置までの距離Ｌv は
１３．９mm程度。

【００３９】最短反射面ＲN よりみたアークの光軸上角
度範囲をθarc と示せば、４．４度となる。よって光源
より発した光がリフレクタ反射面Ｖにて反射し、開口部
フライアイ位置に到達する幅範囲の半径Ｒslは１５．１
mm程度である。

【００４０】一方、先に求まったフライアイ存在範囲は
９mmであるから、リフレクタネック近傍反射面Ｒn にて
反射された光は、殆どフライアイ有効範囲内に集光して
いないことが解る。

【００４１】以上により、マイクロレンズと角度偏差を
用いた図１のような有効照明角の厳しい照明光学系で
は、液晶と投写レンズより定まるフライアイ照明光学系
では、リフレクタ全面より到達する光全てを液晶面に集
光できず効率が劣化するかまたは、フライアイはリフレ
クタ全面をカバーできるが、アークより発する光の全て
をフライアイ有効面に集光しきれず、効率が劣化する。

【００４２】そこでこの発明では、フライアイレンズよ
りみた楕円リフレクタの有効径が小さくなる光学的補正
手段を前記楕円リフレクタと前記フライアイレンズ間の
光学路に配置し品位向上を得るものである。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、照明角に
高度なテレセントリック（光線が光軸と平行な状態）性
が要求された場合に、フライアイレンズ及び光学的補正
手段の最低限の部品追加で、高効率・高品位なフライア
イ照明光学系の構築が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施の形態を示す図。

【図２】 図１の一部を拡大して示す図。

【図３】 図２の一部を更に示す図。

【図４】 この発明のまた他の実施の形態を示す図。

【図５】 この発明の更にまた他の実施の形態を示す
図。

【図６】 この発明のまた他の実施の形態を示す図。

【符号の説明】

１１…光源、１２…楕円リフレクタ、１３…光学的補正
手段、１４…フライアイレンズ部、１５…集光レンズ、
１６Ｒ，１６Ｂ，１６Ｇ…ダイクロイックミラー、１７
…偏光板、１８…液晶パネル、１９…検光子、２０…投
射レンズ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１焦点に置かれた光源より発する光を
   第２焦点に集光反射させる楕円リフレクタと、 前記楕円リフレクタと液晶パネルの間に配され、前記楕
   円リフレクタより発する光を任意複数に分割し、それぞ
   れの分割部に入力された光を前記液晶パネルの全体が照
   射されるように出射する用に構成されたフライアイレン
   ズ部と、 前記フライアイレンズ部の前記分割部における仮想複数
   光源より発する光を略平行光に制御する集光レンズと、 前記集光レンズより出射される光を映像信号にあわせて
   透過量を制御する前記液晶パネルと、 前記液晶パネルの通過光をスクリーンに拡大投影する投
   射レンズと、 前記フライアイレンズ部よりみた前記楕円リフレクタの
   有効径が光学的に小さくなるように光学的補正を行う光
   学的補正手段とを具備したことを特徴とする液晶プロジ
   ェクタの照明装置。
2. 【請求項２】 前記光学的補正手段は、円錐レンズであ
   ることを特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタの
   照明装置。
3. 【請求項３】 前記光学的補正手段は、凹レンズである
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタの照
   明装置。
4. 【請求項４】 前記光学的補正手段は、凸ミラーである
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタの照
   明装置。
5. 【請求項５】 前記液晶パネルは、液晶表示素子の各画
   素に１対１対応したマイクロレンズアレイを装備してお
   り、折り返しのダイクロイックミラーにより赤、青、緑
   毎に前記マイクロレンズアレイに入射する照明入射角を
   変化させるマイクロレンズ色分離方式の液晶プロジェク
   タ照明装置に具備されていることを特徴とする投写型液
   晶プロジェクタの照明装置。