投射型映像表示装置
【課題】 映像の照度均一性と大きなダイナミックレンジを両立する投射型映像表示装置を実現する。
【解決手段】 マトリクス状にレンズセルが配列されるアレイレンズを用いて光源の光を均一化する投射型映像表示装置において、光源からの射出光の光量を調整する遮光ユニットが光源側に配置されるアレイレンズに対して遮光する面積を、光軸に最近のレンズセルに隣接するレンズセル422の遮光面積を、他のセルの遮光面積よりも小さくする。
【解決手段】 マトリクス状にレンズセルが配列されるアレイレンズを用いて光源の光を均一化する投射型映像表示装置において、光源からの射出光の光量を調整する遮光ユニットが光源側に配置されるアレイレンズに対して遮光する面積を、光軸に最近のレンズセルに隣接するレンズセル422の遮光面積を、他のセルの遮光面積よりも小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、映像表示素子により映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像をスクリーンなどに投射する投射型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来のプロジェクタの光学系において、輝度を最低にするために映像表示素子の光変調を実施した場合に、映像表示素子で変調された光束の偏向を揃える出射偏光板において吸収される光が十分でなく、スクリーン上の輝度が下がらない、いわゆる黒浮きと呼ばれる現象が発生していた。
【0003】
そこでライトバルブ以外において外部からの信号に応じて画面全体の光量を変化させる調光手段によって投射型映像表示装置の最小の輝度を小さくすることにより、コントラストを向上させる手段がある。この場合の外部からの信号とは映像信号、外部の環境を測定した信号、使用者が意図的に操作した信号等が含まれる。この手段のひとつとして、照明光学系において映像信号に応じて遮光量を可変する遮光手段を用いる技術が、WO2003−032080号公報、特開2005−17500号公報、特開2005−31103号公報に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】WO2003−032080号公報
【特許文献2】特開2005−17500号公報
【特許文献3】特開2005−31103号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、投射型映像表示装置のダイナミックレンジをより大きくする場合、照明光学系に配置される遮光手段による遮光量もより大きくする必要がある。遮光手段による遮光量を大きくする為には、遮光手段に含まれる遮光部材が照明光束を遮光するときの遮光領域を増加させればよい。
【0006】
しかし、遮光量を増加させると、アレイレンズが形成する照明光学系の被照明領域に重畳される2次光源像の数が減少する為、照明光の被照明領域における照度分布が不均一になりやすくなるという問題があった。また遮光手段が遮光板を回動もしくは移動させて遮光を実施する場合、遮光板の移動または回動時の照度分布の変化が画面に映りやすいという問題があった。
【0007】
特に映像表示素子が液晶表示素子のような入射光線の素子面の法線に対する角度が大きくなるほどコントラスト性能が悪くなる性質を有し、投射型映像表示装置のコントラスト性能向上のために、映像表示素子のコントラスト性能に有害な映像表示素子の法線に対し、より角度の大きい光線から遮光しようとすると、上記問題はより顕著になる。
【0008】
本発明は、照明光の被照明領域における照度分布をより均一に維持したまま、遮光手段による遮光量の大幅制御を可能とすることを目的とする。
【0009】
または、大きいダイナミックレンジを有し、優れた映像表現力、環境および使用者の意図への対応力を有する投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
マトリクス状にレンズセルが配列される二つのアレイレンズを用いて光源の光を均一化する投射型映像表示装置において、光源からの射出光の光量を調整する遮光ユニットが光源側に配置されるアレイレンズに対して遮光する面積を、光軸に最近のレンズセルに隣接するレンズセルの遮光面積を、他のセルの遮光面積よりも小さくする。
【発明の効果】
【0011】
遮光量の制御において、映像の照度分布の均一性を維持することが可能となる。または、投射型表示装置において、ダイナミックレンジの大きな映像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1(a)】光源側アレイレンズの構成例である。
【図1(b)】遮光したセルの重畳の一例を示した図である。
【図1(c)】遮光したセルの重畳の他の例を示した図である。
【図2】光源側アレイレンズ面での透過する光束の照度を光軸との交点を原点として、光軸から離れる方向の距離に対して記したグラフである。
【図3】光源から射出される射出光の分布を示す図である。
【図4】アレイレンズの各セルの照度寄与率の一例を示す図である。
【図5】アレイレンズの配列および遮光面の一例を示した図である。
【図6】光学系の一例を示す構成図である。
【図7】遮光ユニットの配置の例を示した図である。
【図8】アレイレンズの遮光板の移動方法の例を示す図である。
【図9】アレイレンズの遮光領域の他の例を示す図である。
【図10】アレイレンズの構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下本発明の最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付す。また、一度説明したものについては、その説明を省略する。符号の後にRまたはGまたはBを添えて示す構成要素は、色によって分離された複数の光路で区別する必要があるものである。説明上特に支障がない場合には、添字を省略する。符号の後にa、b、c、dを添えて示す構成要素は、符号の示す構成要素の一部分もしくは、符号の示す構成要素に係る光軸、光学的方向を示したものである。
【0014】
まず、本発明の実施の形態の概要を図1乃至図5を用いて説明する。
【0015】
本発明の実施の形態の投射型映像表示装置は、光源と、光源から射出される光の光軸に沿って光源に近い側から順次配置された2つのアレイレンズと、2つのアレイレンズによって形成された複数の2次光源像を照明面において重ね合わせるための重畳レンズで構成されている光源から入射される光の照度分布を均一化する均一照明手段と、光源から射出される光の光軸上に設置され、光源からの射出光の光量を調節する調光手段とを備えている。さらに、外部からの情報に基づいて調光手段を制御することによって均一照明手段から射出される光の光量を調節可能である。また、2つのアレイレンズのうち、少なくとも光源側に配置されるアレイレンズは複数の略矩形のレンズが所定の配列に配列されたものである。調光手段が2つのアレイレンズの入射側、もしくは2つのアレイレンズの間、もしくは2つのアレイレンズと重畳レンズの間、もしくは重畳レンズの出射側に配置され、調光手段は1つまたは2つ以上の遮光部材を所定の方向に移動もしくは回動することによって、均一照明手段内もしくは均一照明手段前後の照明光束を遮光することにより照明光量を調節する遮光ユニットとする。遮光ユニットが光源からの射出光を最少光量に調節した際に、遮光部材の形状は、光源側アレイレンズの各セルに遮光部材を投影した場合に、所定のセルの面積が、他のセルの面積よりも小さい関係を有する形状である。
【0016】
所定のセルを所定の面積だけ遮光する目的は、遮光ユニットによる遮光量を大きくしながら照明光の被照明領域における照度分布をより均一に維持する為である。ここでいう所定のセルを所定の面積だけ遮光するとは具体的には以下の通りである。
【0017】
アレイレンズを用いたインテグレータ照明系とは、一般的には各セルの照度分布の2次光源像を被照明領域に重畳することによって、より均一な照度分布を得るものである。重畳された照度分布に対する照度の寄与率はアレイレンズセルそれぞれに依存する。ここで、遮光部材が各セルを通過する光束を部分的に遮光した場合、そのセルの照度分布は遮光部材による不均一な遮光の為、照度分布も不均一となる。従って、例えば照度寄与率が最も高いセルの照度分布は、映像表示素子上で重畳された照度分布に対する影響が大きい為、このセルを部分的に遮光した状態では、映像表示素子上で重畳された照度分布は最も不均一になる。遮光部材により多くのセルが遮光され、光束の遮光されていないセルが少なくなればなるほど、照度寄与率の高いセルの照度分布は映像表示素子上で重畳された照度分布に対する影響は大きくなり、このセルを部分的に遮光した状態のときの映像表示素子上で重畳された照度分布の不均一性も増す。
【0018】
このように、遮光ユニットが光源からの射出光の光量を減少方向に調節するとき、照度寄与率の高いセルにおける遮光領域の面積よりも、他のセル遮光領域の面積が大きくなるように遮光する。このような構成によって、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。
【0019】
または、遮光ユニットが光量を最少量に向けて調節する過程において、多数のセルの光束が遮光されずに残っている状態の時であれば、たとえ照度寄与率の最も高いセルを通過する光束であっても照度分布の不均一性に対する影響が比較的少ない。この状態であれば、照度寄与率の高いセルを部分的にまたは完全に遮光しても、映像表示素子上で重畳される照度分布の不均一性に対する影響は少ない。但し照度寄与率の高いセルが完全に遮光されたあとでは、完全に光束が遮光されていないセルのうち照度寄与率が最も高いセルを部分的に遮光した場合が、照度分布の不均一性に最も影響する。よって、遮光ユニットが光源からの射出光の光量を最少に調節する場合に、光束が完全に遮光されたセル以外のセル、または、少なくともセルの一部に光束を透過させているセルの中で、照度寄与率の最も高いいセルの遮光領域の面積を、他のセルにおける遮光領域の面積より小さく遮光制御を行う。このような構成によって、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。
【0020】
さらに、遮光量をより多くする為に、少なくともセルの一部に光束を透過させているセルの中で、照度寄与率の最もセルが部分的に遮光している状態のとき、そのセルにおける遮光領域の面積は、そのセルの面積の2分の1以下であることが望ましい。その理由を図1にて説明する。
【0021】
図1(a)は矩形のセルをアレイレンズの平面内にて直交する任意の2軸に平行な方向にそれぞれ配列するアレイレンズを光軸方向から見た図であり。401はセルの稜線、402は2軸の一方の軸、403は2軸の他方の軸である。図1(a)のアレイレンズの構成では、各セルは図1(a)に斜線にて示される404と405のように光軸対称に配置された対となるセルが存在する。
【0022】
これらのセル404、405を対のセルとする。対のセルにおける遮光領域の面積が各セルの面積の2分の1以下の場合、例えば図1(b)に示す遮光方法により、対のセルの遮光されていない部分を重ね合わせて、セル一つ分の照度分布を形成できる。図1(b)の対のセル404と405において、それぞれ非遮光部は404a、405a、遮光部は404b、405bである。遮光部404b、405bがセル一つ分の面積の2分の1以下の場合、言い換えると非遮光部(開口部)がセル一つ分の面積の2分の1以上の場合は、重畳後の照度分布406には照度の非常に少ない部分がなく、均一なものとすることができる。
【0023】
一方、対のセルにおける遮光領域の面積が各セルの面積の2分の1より大きい場合、換言すると、非遮光領域(開口領域)が各セルの面積の2分の1よりも小さい場合、図1(c)に示すように対のセルの非遮光領域を重ね合わせても、セルひとつ分の照度分布は形成できず、照度が非常に低い部分が発生してしまう。図1(c)の対のセル404と405において、それぞれ非遮光部を404c、405c、遮光部を404d、405dとする。非遮光部404d、405dがセルの大きさの2分の1より大きいの場合は、重畳後の照度分布406は照度の高い領域406cと照度の非常に少ない領域406dが存在し、非常に不均一なものとなってしまう。照度寄与率の低いセルの対では、各セルの光束を重畳した後の照度分布への影響は小さい。しかしながら照度寄与率の高いセルの対においては、影響が非常に大きいものとなり、全てのセルの照度分布を重畳した映像表示素子上での照度分布が不均一となる。よって、最も照度寄与率の高いセルもしくは光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち、最も高い照度寄与率を有するセルにおける遮光領域の面積は、そのセルの面積の2分の1以下であることが望ましい。
【0024】
なお、一般にアレイレンズのセルは光源の光軸に垂直な平面内に、光軸対称に配置されている。従って、各セルの照度分布が映像表示素子上で重畳されることを考慮し、照度分布の偏りを防止する為、遮光ユニットによる遮光板の遮光領域は光軸対称に実現されるのが望ましい。例えば図1(a)に示すアレイレンズを有する構成では、照度分布の偏りを防止する為、特に2軸に線対称に、すなわち、光軸が通過するアレイレンズの中心に点対称に遮光することが望ましい。
【0025】
次に、図2に、光軸との交点を原点として、光源側アレイレンズ面での光束の照度411を縦軸とし、光軸から外側に向かう方向の距離を横軸として記したグラフを示す。図2に示すように、光軸付近で照度の最大のピークがあるのではなく、光軸から少し離れた位置に照度の最大のピークがある。この理由を図3にて説明する。
【0026】
図3に、光源1と反射鏡の反射面2000と光源から射出される射出光の分布412を示す。ここで説明の為、射出光の分布412を、反射鏡の反射面2000にて仮に反射しないものとして表記している。図3に示すように、光軸方向と角度をなす方向に射出される光413に比べ、光軸方向414に射出される射出光の量が少ないことがわかる。従って、これらの照度分布を有した光束が反射鏡の反射面2000に反射し、光軸方向と平行に射出することにより、図2のような照度分布を得ることになる。
【0027】
図4は光源からの射出光の光量を最大に調節した状態の照度寄与率を示す。図4の各セルに示される数値は、光源からの射出光の光量を最も多くするように調節した状態の映像表示素子18上の照度分布に対するそのセルの照度寄与率である。照度寄与率の最高のセルは、光軸を通過するアレイレンズの中心のセルの領域421に隣接するセルの領域422に含まれることがわかる。照度寄与率の計算は、例えば吉田光学研究所製照明光学系評価・設計ソフト「ODIS」または、米国ORA(Optical Research Associates)社製光学設計評価プログラム「CODE V」によってシミュレーションすることができる。方法としては、使用しているセル全てに対して全体の光束量Aを評価し、次に一つのセルを残してセルを遮光(透過率を0%に設定)、もしくはアパーチャーを絞り、残した一つのセルについての光束量Bを測定する。照度寄与率は、B/A×100として表す。この作業をアレイレンズの全てのセルについて各々実行する。図3に示される照度分布特性により、図4において、照度寄与率の最も高いセルは、中心のセルに隣接するセル領域422に含まれるセルとなり、中心のセルの領域421に含まれるセルでははない。
【0028】
よって、中心のセルに隣接するセルにおける遮光領域の面積よりも、他のセルにおける遮光領域の面積が大きくなるように遮光することによって、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。また、中心のセルの照度寄与率が、中心セルに隣接するセルの照度寄与率に比べて低いことから、中心セルに隣接するセルにおける遮光領域の面積よりも、中心のセルにおける遮光領域の面積が多くなるように遮光制御することにより、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。
【0029】
上述した遮光制御は、遮光ユニットによる最少の射出光量から射出光量の最大量の20%程度まで遮光しようとするとき、特に必要となる。以下にこれを説明する。
【0030】
一般的に、映像表示素子が液晶表示素子のように射光線の素子面の法線に対する角度が大きくなるほどコントラスト性能が悪くなる性質を有する場合、遮光ユニットを用いてコントラスト性能に有害とされる映像表示素子の法線に対し、より角度の大きい光線から遮光する。最終的には、光源からの射出光の光量を最少とするように遮光ユニットを調節する際、中心付近の数セルのみ光束を透過する状態となる。図4に示す例では、中心のセルに隣接するセルのうち2軸に線対称な4つのセルで形成される領域422の照度寄与率の計は、全体の略9〜10%を占める。調節された射出光量が、最大射出光量の20%以下になるように遮光ユニットを調節した状態では、領域422に含まれる各セルの照度寄与率の合計は、相対的に40〜50%となる。従って、中心のセルの領域421に隣接するセルで構成される領域422を部分的に遮光する場合、照度の不均一性への影響が大きい。
【0031】
一方、その他のセルの照度寄与率は、少なくとも、領域422に含まれるセルの照度寄与率以下となる。よって中心のセルに隣接するセル以外のセルを部分的に遮光する場合の照度不均一性に対する影響は、中心のセルに隣接するセルを部分的に遮光する場合よりも少ない。特に、中心のセルの照度寄与率は、図4の例では、全射出光量の4〜5%である。従って、調節された射出光量が、最大射出光量の20%以下になるように遮光ユニットを調節した状態でも中心のセルの照度寄与率は相対的に25%程度である。よって中心のセルを部分的に遮光する場合の照度不均一性に対する影響は中心のセルに隣接するセルを部分的に遮光する場合よりも少ない。
【0032】
以上から、最小射出光量から最大射出光量の20%程度まで遮光し、光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち最も高い照度寄与率を有するセル、または、中心のセルに隣接するセルにおける遮光領域の面積よりも、中心のセルを含むその他のセルにおける遮光領域の面積を大きくすることが効果的である。
【0033】
また、遮光ユニットが光源からの射出光の光量を最少まで調節するとき、図5のように光源側アレイレンズの各セルの中で、すべてのセルを透過する光束が部分的もしくは完全に遮光された状態とすることで遮光ユニットによる効果をより大きくすることが可能となる。図5において、遮光ユニット501の遮光板502および503を第1のアレイレンズ3に投影した状態を光源側から示す。図5は、光源からの射出光の光量を最少に調節した状態を示している。斜線で示される領域425が遮光した領域、426が遮光していいない領域である。また、遮光領域425のうち、領域504が第1の遮光板502によって遮光される領域、領域505が第2の遮光板503によって遮光される領域である。
【0034】
この場合、前述したような照度寄与率が最も高いセル、光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち照度寄与率が最も高いセル、中心のセルに隣接するセルのいずれかは部分的に遮光されている。これらを部分的に遮光した照度分布は映像表示素子上に重畳される照度分布に対する影響が大きいため、これらのセルを通過したセルにおける遮光領域の面積より他のセル、もしくは中心のセルにおける遮光領域の面積を大きくすることにより、照度分布の均一性と遮光量を両立することが可能である。
【0035】
図5の例においては、照度寄与率が最も高いセル、または、光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち照度寄与率が最も高いセル、または、中心、すなわち光軸に接するセルの領域421に隣接するセルであるセルの領域422をなすセルより、その他のセルの方が遮光領域の面積が大きい。ここで、隣接するとは、セルの一辺を共有することとする。このように、遮光量が最大、すなわち、透過する光量が最小の場合に第1の遮光板502と503によって形成される遮光面は、光源側アレイレンズの各セルに対応する領域を有している。ここで対応するとは、遮光面を光源アレイレンズに投影した像をセルと同様のマトリックス状に分割した場合に、同じ行と列で指定される位置関係を有するセルと領域の関係をいう。さらに、領域422に含まれる一つのセルに対応する領域の非遮光領域の面積(開口面積)は、領域421に含まれる一つのセルに対応する領域の非遮光領域の面積よりも大きい。また、セルの領域422をなすセルにおける遮光領域の面積は2分の1以下となっている。なお、領域421、422に限らず、各セルに対応する領域における非遮光領域の面積は、照度寄与率の高さによって決めることができる。すなわち、照度寄与率が高いほど、非遮光領域の面積を大きくすることが望ましい。従って、図4の例では、軸402方向において、領域422から外側にいくにつれ照度寄与率が低くなっているため、非遮光領域の面積も段階的に小さくすることが好適である。
【0036】
次に、投射型液晶表示装置の構成について説明する。図6は投射型液晶表示装置の構成例を示す図である。図6の3板式の投射型液晶表示装置において、1は光源であり、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源1は、円形、又は、多角形の出射開口を持つ少なくとも1つの反射鏡2を有する。光源1から出射される光は映像表示素子を含むライトバルブ14R、G、Bを通過して投射レンズ200に向かい、スクリーン100へ投影される。光源1のランプから放射される光は例えば放物面の反射鏡2で反射されて光軸に平行となり、第1のアレイレンズ3に入射される。
【0037】
第1のアレイレンズ3は、入射した光をマトリックス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第2のアレイレンズ4と偏光変換素子5を通過するように導く。即ち、第1のアレイレンズ3は光源1と第2のアレイレンズ4の各レンズセルとが互いに物体と像の関係(共役関係)に設計されている。第1のアレイレンズ3と同様に、マトリックス状に配設された複数のレンズセルを持つ第2のアレイレンズ4は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第1のアレイレンズ3のレンズセルの形状をライトバルブ14内の映像表示素子18に投影する。この時、偏光変換素子5で第2のアレイレンズ4からの光は所定の偏光方向に揃えられる。
【0038】
そして、第1のアレイレンズ3の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ6、およびコンデンサレンズ13、第1のリレーレンズ15、第2のリレーレンズ16、第3のリレーレンズ17によりライトバルブ14内の映像表示素子18上に重ね合わせられる。
なお集光レンズ6は光軸300を有する。
【0039】
第1のアレイレンズ3と映像表示素子18とが、互いに物体と像の関係(共役関係)に設計されているので、第1のアレイレンズ3で複数に分割された光束は、第2のアレイレンズ4とこれに近接して配設される集光レンズ6によって、ライトバルブ14内の映像表示素子18上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。
【0040】
その過程で、反射ミラー7で反射された光は、ダイクロイックミラー11により、例えばB光(青色帯域の光)は反射され、G光(緑色帯域の光)およびR光(赤色帯域の光)は透過されて2色の光に分離され、更に、G光とR光はダイクロイックミラー12によりG光とR光に分離される。例えば、G光はダイクロイックミラー12で反射され、R光はダイクロイックミラー12を透過する。光の分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー11でR光を反射させ、G光およびB光を透過させてもよいし、G光を反射させ、R光およびB光を透過させてもよい。
【0041】
図6の構成では、B光はダイクロイックミラー11を反射して、反射ミラー10で反射され、コンデンサレンズ13Bを通してB光用のライトバルブ14Bを透過して光合成プリズム21に入射される。ここでコンデンサレンズ13Bを透過し、ライトバルブ14Bに入射するB光をLBと呼ぶ。ダイクロイックミラー11で透過されたG光およびR光の内、G光はダイクロイックミラー12で反射され、コンデンサレンズ13Gを通してG光用ライトバルブ14Gに入射され、このライトバルブ14Gを透過して光合成プリズム21に入射される。ここでコンデンサレンズ13Gを透過し、ライトバルブ14Gに入射するG光をLGと呼ぶ。R光はダイクロイックミラー12を透過し、第1のリレーレンズ15で集光され、更に反射ミラー8で反射され、第2のリレーレンズ16で更に集光され、反射ミラー9で反射された後、第3のリレーレンズ17で更に集光されてR光用のライトバルブ14Rに入射される。ライトバルブ14Rを透過したR光は光合成プリズム21に入射される。ここでリレーレンズ17を透過し、ライトバルブ14Rに入射するR光をLRと呼ぶ。
【0042】
各映像表示素子18を透過したB光、G光、R光は、光合成プリズム21によってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ200を通過し、スクリーン100に到達する。ライトバルブ14内の映像表示素子18で図示しない映像信号に応じて光強度変調されて形成された光学像は、投射レンズ200によりスクリーン100上に拡大投影表示される。
【0043】
図6の例では、遮光ユニット501は、図4および図5で説明した遮光ユニットを用いる。また、図6の遮光ユニット501は、第1のアレイレンズ3と第2のアレイレンズ4の間に配置され、光束群を遮光板の回動により遮光するが、図7(a)に示すように光源1と第1のアレイレンズ3の間に配置してもよく、図7(b)に示すように第2のアレイレンズ4と偏光変換素子5の間、図7(c)に示すように偏光変換素子5の光線の出射側、図7(d)に示すように重畳レンズ6の出射側に配置してもよい。従って、第1のアレイレンズ3と光源1の間に配置した場合は、第1のアレイレンズ3を通過する光がすでに遮光された後の光となる。光源1からみて第1のアレイレンズ3の下流に遮光ユニット501が配置される場合は、第1のアレイレンズ3から出射される光が遮光されることになる。なお図7は重畳レンズ6以降の光学要素の表記を省略した。
【0044】
また第1の実施の形態では、遮光ユニットは射出光量を最多とした場合に、図8(a)に示すように、遮光板502、503は光束の外に配置され、遮光量を調節する場合は矢印601、602の方向に回動して光束群700を遮光する構成としている。しかしながら、遮光板502、503は、図8(b)のように遮光ユニットは射出光量を最多とするときに、光束の外に配置され、遮光量を増加方向に調節する場合は、矢印603、604の方向に移動する構成としてもよい。さらに、図8(c)のように、遮光ユニットは射出光量を最多としたときに光束の中に光軸に平行に配置され、遮光量を増加方向に調節する場合に、矢印605、606の方向に回動する構成としてもよい。
【0045】
次に、第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態からから遮光板による遮光方法を変更したものである。図9に、遮光板506および507を第1のアレイレンズ3に投影した状態を光源側から示す。斜線で示される領域508が遮光板506の投影による遮光領域、斜線で示される領域509が遮光板507の投影による遮光領域である。
【0046】
図9(a)は光源からの射出光の最多光量に調節した状態を示してある。図9(b)は光源からの射出光を最少光量に調節した状態を示してある。この実施の形態では、図9(b)に示されるように調節した状態では、領域422に含まれる照度寄与率が最も高いセルは、全て遮光されている。そこで、完全に遮光されていないセル、少なくとも一部においては光源の光束を透過させているセルの中で照度寄与率の最も高いセルが含まれる領域555とする。この領域555に含まれるセルの遮光領域の面積より、その他のセルにおける遮光領域の面積を多くすることにより、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、遮光量をより大きくすることが可能となる。
【0047】
また、図9の実施の形態においては、光源からの射出光の光量を最少光量に調節した状態において、領域555に含まれるセルよりも、照度寄与率の低い中心領域421のセルにおける遮光領域の面積を大きくすることにより、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、遮光量をより大きくすることが可能となる。
【0048】
また、完全に遮光されていないセルのうち、領域555のセルにおける遮光領域の面積は、図9(b)に示されるようにセルの面積の2分の1以下であることが望ましい。理由は図1を用いて説明したとおりである。
【0049】
図5、図9の実施の形態においては、遮光量を大きくしながら、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保つことが可能となる。従って、光源からの射出光の光量を最大光量から最少光量に調節する際の射出光の光量が、光源からの射出光の最大光量の20%以下としようとすることにより、最少光量に調節した状態において、例えば2個から約16個程度のセル以外すべて遮光された状態となったとしても、照度分布の均一性を実用上問題ないレベルとすることが可能となる。
【0050】
また、遮光量を大きくしながら、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保つことが可能となるため、例えば、図5および図9(b)の実施の形態のように、光源からの射出光の光量を最少に調節した状態において、アレイレンズの全てのセルが、一部もしくは完全に遮光された状態、すなわち、少なくとも一部が遮光された状態となったとしても、照度分布の均一性を実用上問題ないレベルとすることが可能となる。
【0051】
さらに、これらの実施の形態において、第1のアレイレンズ3を、光軸を通過し直交する二軸に線対称に矩形のセルがそれぞれ偶数列に配列する構成としている。アレイレンズのセルの配置は、一般的な光軸に直交する任意の2軸に対して矩形のセルが平行に配置されるものでは、図10(a)(b)(c)のように3種類存在する。図10(a)は図5、図9の実施の形態で用いたアレイレンズの構成である。これらの形態において説明した、領域422に含まれる照度寄与率の最高のセルが、図10(a)に示すセルの領域552であっても構わない。ただしこれは領域422を光軸中心に90°回転させただけなので、422と示す内容は同じである。
【0052】
第3の実施の形態は、図10(a)の第1のアレイレンズ3を図10(b)に示されるアレイレンズの構成としたものである。すなわち、光軸を通り直交する二軸に線対称に矩形のセルが一方の軸に偶数列、他方の軸に奇数列に配列しているアレイレンズとしたものである。図10(a)のアレイレンズでの中心のセルが含まれる領域421は、図10(b)のアレイレンズではセルの領域545となる。また、図10(a)のアレイレンズにおけるセルの領域422は、図10(b)のアレイレンズでは、セルの領域563もしくはセルの領域567となる。それ以外は図5、図9の実施の形態と同様である。また偶数列、奇数列の配列が、逆になっても、図10(b)に示されるアレイレンズの配置を90°回転させればよい。
【0053】
第4の実施の形態は、図10(a)の第1のアレイレンズ3を、図10(c)に示されるアレイレンズとしたものである。すなわち、光軸を通り直交する二軸に線対称に矩形のセルが一方の軸に奇数列、他方の軸に奇数列に配列しているアレイレンズとしたものである。図10(a)の第1のアレイレンズ3における中心のセルが含まれる領域421は、図10(c)のアレイレンズでは中心のセル546となる。図10(a)の第1のアレイレンズ3における領域422は、図10(c)のアレイレンズではセルの領域569もしくはセルの領域571となる。
【0054】
図10に示されるいずれの例においても、第1のアレイレンズ3を通過する光軸が接するセル、図10(a)においては領域421の4つのセル、図10(b)においては領域545の2つのセル、図10(c)においては領域546の1つのセルと1辺を接するセルを照度寄与率が最も高いセルとみなし、これらのセルにおける非遮光領域を他のセルの非遮光領域とする。
【0055】
以上述べたように、上記実施の形態によれば、遮光板による遮光ユニットもちいた投射型映像表示装置において、照度分布をより均一に保ちながら、大きなダイナミックレンジの映像を得ることができる。
【0056】
またこれらの遮光量の大きさは図示しない演算部が入力された映像信号から遮光すべき量を算出し、図示しないモータ等の駆動装置を駆動する信号に変換し、前述の駆動装置の駆動によって、遮光板の移動量、回動量に変換され調節される。
【符号の説明】
【0057】
1…光源、2…反射鏡、3…第1のアレイレンズ、4…第2のアレイレンズ、5…偏光変換素子、6…集光レンズ、7…反射ミラー、8…反射ミラー、9…反射ミラー、10…反射ミラー、11…ダイクロイックミラー、12…ダイクロイックミラー、13…コンデンサレンズ、14…ライトバルブ、15…第1のリレーレンズ、16…第2のリレーレンズ、17…第3のリレーレンズ、18…映像表示素子、21…光合成プリズム、100…スクリーン、200…投射レンズ、300…光軸、401…セルの稜線、402…軸、403…軸、404…セル、404a…非遮光領域、404b…遮光領域、404c…非遮光領域、404d…遮光領域、405…セル、405a…非遮光領域、405b…遮光領域、405…セル、405c…非遮光領域、405d…遮光領域、406…照度分布、406c…照度分布、406d…照度分布、411…照度、421…セルの領域、422…セルの領域、425…遮光領域、426…非遮光領域、501…遮光ユニット、502…遮光板、503…遮光板、504…遮光領域、505…遮光領域、545…セルの領域、546…セル、552…セルの領域、555…セルの領域、563…セルの領域、567…セルの領域、569…セルの領域、571…セルの領域、601…方向、602…方向、603…方向、604…方向、605…方向、606…方向、700…光束群、2000…反射鏡の反射面、L…光線、LB…光線、LG…光線、LR…光線
【技術分野】
【0001】
本発明は、映像表示素子により映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像をスクリーンなどに投射する投射型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来のプロジェクタの光学系において、輝度を最低にするために映像表示素子の光変調を実施した場合に、映像表示素子で変調された光束の偏向を揃える出射偏光板において吸収される光が十分でなく、スクリーン上の輝度が下がらない、いわゆる黒浮きと呼ばれる現象が発生していた。
【0003】
そこでライトバルブ以外において外部からの信号に応じて画面全体の光量を変化させる調光手段によって投射型映像表示装置の最小の輝度を小さくすることにより、コントラストを向上させる手段がある。この場合の外部からの信号とは映像信号、外部の環境を測定した信号、使用者が意図的に操作した信号等が含まれる。この手段のひとつとして、照明光学系において映像信号に応じて遮光量を可変する遮光手段を用いる技術が、WO2003−032080号公報、特開2005−17500号公報、特開2005−31103号公報に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】WO2003−032080号公報
【特許文献2】特開2005−17500号公報
【特許文献3】特開2005−31103号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、投射型映像表示装置のダイナミックレンジをより大きくする場合、照明光学系に配置される遮光手段による遮光量もより大きくする必要がある。遮光手段による遮光量を大きくする為には、遮光手段に含まれる遮光部材が照明光束を遮光するときの遮光領域を増加させればよい。
【0006】
しかし、遮光量を増加させると、アレイレンズが形成する照明光学系の被照明領域に重畳される2次光源像の数が減少する為、照明光の被照明領域における照度分布が不均一になりやすくなるという問題があった。また遮光手段が遮光板を回動もしくは移動させて遮光を実施する場合、遮光板の移動または回動時の照度分布の変化が画面に映りやすいという問題があった。
【0007】
特に映像表示素子が液晶表示素子のような入射光線の素子面の法線に対する角度が大きくなるほどコントラスト性能が悪くなる性質を有し、投射型映像表示装置のコントラスト性能向上のために、映像表示素子のコントラスト性能に有害な映像表示素子の法線に対し、より角度の大きい光線から遮光しようとすると、上記問題はより顕著になる。
【0008】
本発明は、照明光の被照明領域における照度分布をより均一に維持したまま、遮光手段による遮光量の大幅制御を可能とすることを目的とする。
【0009】
または、大きいダイナミックレンジを有し、優れた映像表現力、環境および使用者の意図への対応力を有する投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
マトリクス状にレンズセルが配列される二つのアレイレンズを用いて光源の光を均一化する投射型映像表示装置において、光源からの射出光の光量を調整する遮光ユニットが光源側に配置されるアレイレンズに対して遮光する面積を、光軸に最近のレンズセルに隣接するレンズセルの遮光面積を、他のセルの遮光面積よりも小さくする。
【発明の効果】
【0011】
遮光量の制御において、映像の照度分布の均一性を維持することが可能となる。または、投射型表示装置において、ダイナミックレンジの大きな映像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1(a)】光源側アレイレンズの構成例である。
【図1(b)】遮光したセルの重畳の一例を示した図である。
【図1(c)】遮光したセルの重畳の他の例を示した図である。
【図2】光源側アレイレンズ面での透過する光束の照度を光軸との交点を原点として、光軸から離れる方向の距離に対して記したグラフである。
【図3】光源から射出される射出光の分布を示す図である。
【図4】アレイレンズの各セルの照度寄与率の一例を示す図である。
【図5】アレイレンズの配列および遮光面の一例を示した図である。
【図6】光学系の一例を示す構成図である。
【図7】遮光ユニットの配置の例を示した図である。
【図8】アレイレンズの遮光板の移動方法の例を示す図である。
【図9】アレイレンズの遮光領域の他の例を示す図である。
【図10】アレイレンズの構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下本発明の最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付す。また、一度説明したものについては、その説明を省略する。符号の後にRまたはGまたはBを添えて示す構成要素は、色によって分離された複数の光路で区別する必要があるものである。説明上特に支障がない場合には、添字を省略する。符号の後にa、b、c、dを添えて示す構成要素は、符号の示す構成要素の一部分もしくは、符号の示す構成要素に係る光軸、光学的方向を示したものである。
【0014】
まず、本発明の実施の形態の概要を図1乃至図5を用いて説明する。
【0015】
本発明の実施の形態の投射型映像表示装置は、光源と、光源から射出される光の光軸に沿って光源に近い側から順次配置された2つのアレイレンズと、2つのアレイレンズによって形成された複数の2次光源像を照明面において重ね合わせるための重畳レンズで構成されている光源から入射される光の照度分布を均一化する均一照明手段と、光源から射出される光の光軸上に設置され、光源からの射出光の光量を調節する調光手段とを備えている。さらに、外部からの情報に基づいて調光手段を制御することによって均一照明手段から射出される光の光量を調節可能である。また、2つのアレイレンズのうち、少なくとも光源側に配置されるアレイレンズは複数の略矩形のレンズが所定の配列に配列されたものである。調光手段が2つのアレイレンズの入射側、もしくは2つのアレイレンズの間、もしくは2つのアレイレンズと重畳レンズの間、もしくは重畳レンズの出射側に配置され、調光手段は1つまたは2つ以上の遮光部材を所定の方向に移動もしくは回動することによって、均一照明手段内もしくは均一照明手段前後の照明光束を遮光することにより照明光量を調節する遮光ユニットとする。遮光ユニットが光源からの射出光を最少光量に調節した際に、遮光部材の形状は、光源側アレイレンズの各セルに遮光部材を投影した場合に、所定のセルの面積が、他のセルの面積よりも小さい関係を有する形状である。
【0016】
所定のセルを所定の面積だけ遮光する目的は、遮光ユニットによる遮光量を大きくしながら照明光の被照明領域における照度分布をより均一に維持する為である。ここでいう所定のセルを所定の面積だけ遮光するとは具体的には以下の通りである。
【0017】
アレイレンズを用いたインテグレータ照明系とは、一般的には各セルの照度分布の2次光源像を被照明領域に重畳することによって、より均一な照度分布を得るものである。重畳された照度分布に対する照度の寄与率はアレイレンズセルそれぞれに依存する。ここで、遮光部材が各セルを通過する光束を部分的に遮光した場合、そのセルの照度分布は遮光部材による不均一な遮光の為、照度分布も不均一となる。従って、例えば照度寄与率が最も高いセルの照度分布は、映像表示素子上で重畳された照度分布に対する影響が大きい為、このセルを部分的に遮光した状態では、映像表示素子上で重畳された照度分布は最も不均一になる。遮光部材により多くのセルが遮光され、光束の遮光されていないセルが少なくなればなるほど、照度寄与率の高いセルの照度分布は映像表示素子上で重畳された照度分布に対する影響は大きくなり、このセルを部分的に遮光した状態のときの映像表示素子上で重畳された照度分布の不均一性も増す。
【0018】
このように、遮光ユニットが光源からの射出光の光量を減少方向に調節するとき、照度寄与率の高いセルにおける遮光領域の面積よりも、他のセル遮光領域の面積が大きくなるように遮光する。このような構成によって、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。
【0019】
または、遮光ユニットが光量を最少量に向けて調節する過程において、多数のセルの光束が遮光されずに残っている状態の時であれば、たとえ照度寄与率の最も高いセルを通過する光束であっても照度分布の不均一性に対する影響が比較的少ない。この状態であれば、照度寄与率の高いセルを部分的にまたは完全に遮光しても、映像表示素子上で重畳される照度分布の不均一性に対する影響は少ない。但し照度寄与率の高いセルが完全に遮光されたあとでは、完全に光束が遮光されていないセルのうち照度寄与率が最も高いセルを部分的に遮光した場合が、照度分布の不均一性に最も影響する。よって、遮光ユニットが光源からの射出光の光量を最少に調節する場合に、光束が完全に遮光されたセル以外のセル、または、少なくともセルの一部に光束を透過させているセルの中で、照度寄与率の最も高いいセルの遮光領域の面積を、他のセルにおける遮光領域の面積より小さく遮光制御を行う。このような構成によって、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。
【0020】
さらに、遮光量をより多くする為に、少なくともセルの一部に光束を透過させているセルの中で、照度寄与率の最もセルが部分的に遮光している状態のとき、そのセルにおける遮光領域の面積は、そのセルの面積の2分の1以下であることが望ましい。その理由を図1にて説明する。
【0021】
図1(a)は矩形のセルをアレイレンズの平面内にて直交する任意の2軸に平行な方向にそれぞれ配列するアレイレンズを光軸方向から見た図であり。401はセルの稜線、402は2軸の一方の軸、403は2軸の他方の軸である。図1(a)のアレイレンズの構成では、各セルは図1(a)に斜線にて示される404と405のように光軸対称に配置された対となるセルが存在する。
【0022】
これらのセル404、405を対のセルとする。対のセルにおける遮光領域の面積が各セルの面積の2分の1以下の場合、例えば図1(b)に示す遮光方法により、対のセルの遮光されていない部分を重ね合わせて、セル一つ分の照度分布を形成できる。図1(b)の対のセル404と405において、それぞれ非遮光部は404a、405a、遮光部は404b、405bである。遮光部404b、405bがセル一つ分の面積の2分の1以下の場合、言い換えると非遮光部(開口部)がセル一つ分の面積の2分の1以上の場合は、重畳後の照度分布406には照度の非常に少ない部分がなく、均一なものとすることができる。
【0023】
一方、対のセルにおける遮光領域の面積が各セルの面積の2分の1より大きい場合、換言すると、非遮光領域(開口領域)が各セルの面積の2分の1よりも小さい場合、図1(c)に示すように対のセルの非遮光領域を重ね合わせても、セルひとつ分の照度分布は形成できず、照度が非常に低い部分が発生してしまう。図1(c)の対のセル404と405において、それぞれ非遮光部を404c、405c、遮光部を404d、405dとする。非遮光部404d、405dがセルの大きさの2分の1より大きいの場合は、重畳後の照度分布406は照度の高い領域406cと照度の非常に少ない領域406dが存在し、非常に不均一なものとなってしまう。照度寄与率の低いセルの対では、各セルの光束を重畳した後の照度分布への影響は小さい。しかしながら照度寄与率の高いセルの対においては、影響が非常に大きいものとなり、全てのセルの照度分布を重畳した映像表示素子上での照度分布が不均一となる。よって、最も照度寄与率の高いセルもしくは光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち、最も高い照度寄与率を有するセルにおける遮光領域の面積は、そのセルの面積の2分の1以下であることが望ましい。
【0024】
なお、一般にアレイレンズのセルは光源の光軸に垂直な平面内に、光軸対称に配置されている。従って、各セルの照度分布が映像表示素子上で重畳されることを考慮し、照度分布の偏りを防止する為、遮光ユニットによる遮光板の遮光領域は光軸対称に実現されるのが望ましい。例えば図1(a)に示すアレイレンズを有する構成では、照度分布の偏りを防止する為、特に2軸に線対称に、すなわち、光軸が通過するアレイレンズの中心に点対称に遮光することが望ましい。
【0025】
次に、図2に、光軸との交点を原点として、光源側アレイレンズ面での光束の照度411を縦軸とし、光軸から外側に向かう方向の距離を横軸として記したグラフを示す。図2に示すように、光軸付近で照度の最大のピークがあるのではなく、光軸から少し離れた位置に照度の最大のピークがある。この理由を図3にて説明する。
【0026】
図3に、光源1と反射鏡の反射面2000と光源から射出される射出光の分布412を示す。ここで説明の為、射出光の分布412を、反射鏡の反射面2000にて仮に反射しないものとして表記している。図3に示すように、光軸方向と角度をなす方向に射出される光413に比べ、光軸方向414に射出される射出光の量が少ないことがわかる。従って、これらの照度分布を有した光束が反射鏡の反射面2000に反射し、光軸方向と平行に射出することにより、図2のような照度分布を得ることになる。
【0027】
図4は光源からの射出光の光量を最大に調節した状態の照度寄与率を示す。図4の各セルに示される数値は、光源からの射出光の光量を最も多くするように調節した状態の映像表示素子18上の照度分布に対するそのセルの照度寄与率である。照度寄与率の最高のセルは、光軸を通過するアレイレンズの中心のセルの領域421に隣接するセルの領域422に含まれることがわかる。照度寄与率の計算は、例えば吉田光学研究所製照明光学系評価・設計ソフト「ODIS」または、米国ORA(Optical Research Associates)社製光学設計評価プログラム「CODE V」によってシミュレーションすることができる。方法としては、使用しているセル全てに対して全体の光束量Aを評価し、次に一つのセルを残してセルを遮光(透過率を0%に設定)、もしくはアパーチャーを絞り、残した一つのセルについての光束量Bを測定する。照度寄与率は、B/A×100として表す。この作業をアレイレンズの全てのセルについて各々実行する。図3に示される照度分布特性により、図4において、照度寄与率の最も高いセルは、中心のセルに隣接するセル領域422に含まれるセルとなり、中心のセルの領域421に含まれるセルでははない。
【0028】
よって、中心のセルに隣接するセルにおける遮光領域の面積よりも、他のセルにおける遮光領域の面積が大きくなるように遮光することによって、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。また、中心のセルの照度寄与率が、中心セルに隣接するセルの照度寄与率に比べて低いことから、中心セルに隣接するセルにおける遮光領域の面積よりも、中心のセルにおける遮光領域の面積が多くなるように遮光制御することにより、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、より大きい遮光量を得ることが可能となる。
【0029】
上述した遮光制御は、遮光ユニットによる最少の射出光量から射出光量の最大量の20%程度まで遮光しようとするとき、特に必要となる。以下にこれを説明する。
【0030】
一般的に、映像表示素子が液晶表示素子のように射光線の素子面の法線に対する角度が大きくなるほどコントラスト性能が悪くなる性質を有する場合、遮光ユニットを用いてコントラスト性能に有害とされる映像表示素子の法線に対し、より角度の大きい光線から遮光する。最終的には、光源からの射出光の光量を最少とするように遮光ユニットを調節する際、中心付近の数セルのみ光束を透過する状態となる。図4に示す例では、中心のセルに隣接するセルのうち2軸に線対称な4つのセルで形成される領域422の照度寄与率の計は、全体の略9〜10%を占める。調節された射出光量が、最大射出光量の20%以下になるように遮光ユニットを調節した状態では、領域422に含まれる各セルの照度寄与率の合計は、相対的に40〜50%となる。従って、中心のセルの領域421に隣接するセルで構成される領域422を部分的に遮光する場合、照度の不均一性への影響が大きい。
【0031】
一方、その他のセルの照度寄与率は、少なくとも、領域422に含まれるセルの照度寄与率以下となる。よって中心のセルに隣接するセル以外のセルを部分的に遮光する場合の照度不均一性に対する影響は、中心のセルに隣接するセルを部分的に遮光する場合よりも少ない。特に、中心のセルの照度寄与率は、図4の例では、全射出光量の4〜5%である。従って、調節された射出光量が、最大射出光量の20%以下になるように遮光ユニットを調節した状態でも中心のセルの照度寄与率は相対的に25%程度である。よって中心のセルを部分的に遮光する場合の照度不均一性に対する影響は中心のセルに隣接するセルを部分的に遮光する場合よりも少ない。
【0032】
以上から、最小射出光量から最大射出光量の20%程度まで遮光し、光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち最も高い照度寄与率を有するセル、または、中心のセルに隣接するセルにおける遮光領域の面積よりも、中心のセルを含むその他のセルにおける遮光領域の面積を大きくすることが効果的である。
【0033】
また、遮光ユニットが光源からの射出光の光量を最少まで調節するとき、図5のように光源側アレイレンズの各セルの中で、すべてのセルを透過する光束が部分的もしくは完全に遮光された状態とすることで遮光ユニットによる効果をより大きくすることが可能となる。図5において、遮光ユニット501の遮光板502および503を第1のアレイレンズ3に投影した状態を光源側から示す。図5は、光源からの射出光の光量を最少に調節した状態を示している。斜線で示される領域425が遮光した領域、426が遮光していいない領域である。また、遮光領域425のうち、領域504が第1の遮光板502によって遮光される領域、領域505が第2の遮光板503によって遮光される領域である。
【0034】
この場合、前述したような照度寄与率が最も高いセル、光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち照度寄与率が最も高いセル、中心のセルに隣接するセルのいずれかは部分的に遮光されている。これらを部分的に遮光した照度分布は映像表示素子上に重畳される照度分布に対する影響が大きいため、これらのセルを通過したセルにおける遮光領域の面積より他のセル、もしくは中心のセルにおける遮光領域の面積を大きくすることにより、照度分布の均一性と遮光量を両立することが可能である。
【0035】
図5の例においては、照度寄与率が最も高いセル、または、光束が完全に遮光されたセル以外のセルのうち照度寄与率が最も高いセル、または、中心、すなわち光軸に接するセルの領域421に隣接するセルであるセルの領域422をなすセルより、その他のセルの方が遮光領域の面積が大きい。ここで、隣接するとは、セルの一辺を共有することとする。このように、遮光量が最大、すなわち、透過する光量が最小の場合に第1の遮光板502と503によって形成される遮光面は、光源側アレイレンズの各セルに対応する領域を有している。ここで対応するとは、遮光面を光源アレイレンズに投影した像をセルと同様のマトリックス状に分割した場合に、同じ行と列で指定される位置関係を有するセルと領域の関係をいう。さらに、領域422に含まれる一つのセルに対応する領域の非遮光領域の面積(開口面積)は、領域421に含まれる一つのセルに対応する領域の非遮光領域の面積よりも大きい。また、セルの領域422をなすセルにおける遮光領域の面積は2分の1以下となっている。なお、領域421、422に限らず、各セルに対応する領域における非遮光領域の面積は、照度寄与率の高さによって決めることができる。すなわち、照度寄与率が高いほど、非遮光領域の面積を大きくすることが望ましい。従って、図4の例では、軸402方向において、領域422から外側にいくにつれ照度寄与率が低くなっているため、非遮光領域の面積も段階的に小さくすることが好適である。
【0036】
次に、投射型液晶表示装置の構成について説明する。図6は投射型液晶表示装置の構成例を示す図である。図6の3板式の投射型液晶表示装置において、1は光源であり、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源1は、円形、又は、多角形の出射開口を持つ少なくとも1つの反射鏡2を有する。光源1から出射される光は映像表示素子を含むライトバルブ14R、G、Bを通過して投射レンズ200に向かい、スクリーン100へ投影される。光源1のランプから放射される光は例えば放物面の反射鏡2で反射されて光軸に平行となり、第1のアレイレンズ3に入射される。
【0037】
第1のアレイレンズ3は、入射した光をマトリックス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第2のアレイレンズ4と偏光変換素子5を通過するように導く。即ち、第1のアレイレンズ3は光源1と第2のアレイレンズ4の各レンズセルとが互いに物体と像の関係(共役関係)に設計されている。第1のアレイレンズ3と同様に、マトリックス状に配設された複数のレンズセルを持つ第2のアレイレンズ4は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第1のアレイレンズ3のレンズセルの形状をライトバルブ14内の映像表示素子18に投影する。この時、偏光変換素子5で第2のアレイレンズ4からの光は所定の偏光方向に揃えられる。
【0038】
そして、第1のアレイレンズ3の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ6、およびコンデンサレンズ13、第1のリレーレンズ15、第2のリレーレンズ16、第3のリレーレンズ17によりライトバルブ14内の映像表示素子18上に重ね合わせられる。
なお集光レンズ6は光軸300を有する。
【0039】
第1のアレイレンズ3と映像表示素子18とが、互いに物体と像の関係(共役関係)に設計されているので、第1のアレイレンズ3で複数に分割された光束は、第2のアレイレンズ4とこれに近接して配設される集光レンズ6によって、ライトバルブ14内の映像表示素子18上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。
【0040】
その過程で、反射ミラー7で反射された光は、ダイクロイックミラー11により、例えばB光(青色帯域の光)は反射され、G光(緑色帯域の光)およびR光(赤色帯域の光)は透過されて2色の光に分離され、更に、G光とR光はダイクロイックミラー12によりG光とR光に分離される。例えば、G光はダイクロイックミラー12で反射され、R光はダイクロイックミラー12を透過する。光の分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー11でR光を反射させ、G光およびB光を透過させてもよいし、G光を反射させ、R光およびB光を透過させてもよい。
【0041】
図6の構成では、B光はダイクロイックミラー11を反射して、反射ミラー10で反射され、コンデンサレンズ13Bを通してB光用のライトバルブ14Bを透過して光合成プリズム21に入射される。ここでコンデンサレンズ13Bを透過し、ライトバルブ14Bに入射するB光をLBと呼ぶ。ダイクロイックミラー11で透過されたG光およびR光の内、G光はダイクロイックミラー12で反射され、コンデンサレンズ13Gを通してG光用ライトバルブ14Gに入射され、このライトバルブ14Gを透過して光合成プリズム21に入射される。ここでコンデンサレンズ13Gを透過し、ライトバルブ14Gに入射するG光をLGと呼ぶ。R光はダイクロイックミラー12を透過し、第1のリレーレンズ15で集光され、更に反射ミラー8で反射され、第2のリレーレンズ16で更に集光され、反射ミラー9で反射された後、第3のリレーレンズ17で更に集光されてR光用のライトバルブ14Rに入射される。ライトバルブ14Rを透過したR光は光合成プリズム21に入射される。ここでリレーレンズ17を透過し、ライトバルブ14Rに入射するR光をLRと呼ぶ。
【0042】
各映像表示素子18を透過したB光、G光、R光は、光合成プリズム21によってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ200を通過し、スクリーン100に到達する。ライトバルブ14内の映像表示素子18で図示しない映像信号に応じて光強度変調されて形成された光学像は、投射レンズ200によりスクリーン100上に拡大投影表示される。
【0043】
図6の例では、遮光ユニット501は、図4および図5で説明した遮光ユニットを用いる。また、図6の遮光ユニット501は、第1のアレイレンズ3と第2のアレイレンズ4の間に配置され、光束群を遮光板の回動により遮光するが、図7(a)に示すように光源1と第1のアレイレンズ3の間に配置してもよく、図7(b)に示すように第2のアレイレンズ4と偏光変換素子5の間、図7(c)に示すように偏光変換素子5の光線の出射側、図7(d)に示すように重畳レンズ6の出射側に配置してもよい。従って、第1のアレイレンズ3と光源1の間に配置した場合は、第1のアレイレンズ3を通過する光がすでに遮光された後の光となる。光源1からみて第1のアレイレンズ3の下流に遮光ユニット501が配置される場合は、第1のアレイレンズ3から出射される光が遮光されることになる。なお図7は重畳レンズ6以降の光学要素の表記を省略した。
【0044】
また第1の実施の形態では、遮光ユニットは射出光量を最多とした場合に、図8(a)に示すように、遮光板502、503は光束の外に配置され、遮光量を調節する場合は矢印601、602の方向に回動して光束群700を遮光する構成としている。しかしながら、遮光板502、503は、図8(b)のように遮光ユニットは射出光量を最多とするときに、光束の外に配置され、遮光量を増加方向に調節する場合は、矢印603、604の方向に移動する構成としてもよい。さらに、図8(c)のように、遮光ユニットは射出光量を最多としたときに光束の中に光軸に平行に配置され、遮光量を増加方向に調節する場合に、矢印605、606の方向に回動する構成としてもよい。
【0045】
次に、第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態からから遮光板による遮光方法を変更したものである。図9に、遮光板506および507を第1のアレイレンズ3に投影した状態を光源側から示す。斜線で示される領域508が遮光板506の投影による遮光領域、斜線で示される領域509が遮光板507の投影による遮光領域である。
【0046】
図9(a)は光源からの射出光の最多光量に調節した状態を示してある。図9(b)は光源からの射出光を最少光量に調節した状態を示してある。この実施の形態では、図9(b)に示されるように調節した状態では、領域422に含まれる照度寄与率が最も高いセルは、全て遮光されている。そこで、完全に遮光されていないセル、少なくとも一部においては光源の光束を透過させているセルの中で照度寄与率の最も高いセルが含まれる領域555とする。この領域555に含まれるセルの遮光領域の面積より、その他のセルにおける遮光領域の面積を多くすることにより、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、遮光量をより大きくすることが可能となる。
【0047】
また、図9の実施の形態においては、光源からの射出光の光量を最少光量に調節した状態において、領域555に含まれるセルよりも、照度寄与率の低い中心領域421のセルにおける遮光領域の面積を大きくすることにより、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保ちながら、遮光量をより大きくすることが可能となる。
【0048】
また、完全に遮光されていないセルのうち、領域555のセルにおける遮光領域の面積は、図9(b)に示されるようにセルの面積の2分の1以下であることが望ましい。理由は図1を用いて説明したとおりである。
【0049】
図5、図9の実施の形態においては、遮光量を大きくしながら、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保つことが可能となる。従って、光源からの射出光の光量を最大光量から最少光量に調節する際の射出光の光量が、光源からの射出光の最大光量の20%以下としようとすることにより、最少光量に調節した状態において、例えば2個から約16個程度のセル以外すべて遮光された状態となったとしても、照度分布の均一性を実用上問題ないレベルとすることが可能となる。
【0050】
また、遮光量を大きくしながら、映像表示素子上で重畳される照度分布をより均一に保つことが可能となるため、例えば、図5および図9(b)の実施の形態のように、光源からの射出光の光量を最少に調節した状態において、アレイレンズの全てのセルが、一部もしくは完全に遮光された状態、すなわち、少なくとも一部が遮光された状態となったとしても、照度分布の均一性を実用上問題ないレベルとすることが可能となる。
【0051】
さらに、これらの実施の形態において、第1のアレイレンズ3を、光軸を通過し直交する二軸に線対称に矩形のセルがそれぞれ偶数列に配列する構成としている。アレイレンズのセルの配置は、一般的な光軸に直交する任意の2軸に対して矩形のセルが平行に配置されるものでは、図10(a)(b)(c)のように3種類存在する。図10(a)は図5、図9の実施の形態で用いたアレイレンズの構成である。これらの形態において説明した、領域422に含まれる照度寄与率の最高のセルが、図10(a)に示すセルの領域552であっても構わない。ただしこれは領域422を光軸中心に90°回転させただけなので、422と示す内容は同じである。
【0052】
第3の実施の形態は、図10(a)の第1のアレイレンズ3を図10(b)に示されるアレイレンズの構成としたものである。すなわち、光軸を通り直交する二軸に線対称に矩形のセルが一方の軸に偶数列、他方の軸に奇数列に配列しているアレイレンズとしたものである。図10(a)のアレイレンズでの中心のセルが含まれる領域421は、図10(b)のアレイレンズではセルの領域545となる。また、図10(a)のアレイレンズにおけるセルの領域422は、図10(b)のアレイレンズでは、セルの領域563もしくはセルの領域567となる。それ以外は図5、図9の実施の形態と同様である。また偶数列、奇数列の配列が、逆になっても、図10(b)に示されるアレイレンズの配置を90°回転させればよい。
【0053】
第4の実施の形態は、図10(a)の第1のアレイレンズ3を、図10(c)に示されるアレイレンズとしたものである。すなわち、光軸を通り直交する二軸に線対称に矩形のセルが一方の軸に奇数列、他方の軸に奇数列に配列しているアレイレンズとしたものである。図10(a)の第1のアレイレンズ3における中心のセルが含まれる領域421は、図10(c)のアレイレンズでは中心のセル546となる。図10(a)の第1のアレイレンズ3における領域422は、図10(c)のアレイレンズではセルの領域569もしくはセルの領域571となる。
【0054】
図10に示されるいずれの例においても、第1のアレイレンズ3を通過する光軸が接するセル、図10(a)においては領域421の4つのセル、図10(b)においては領域545の2つのセル、図10(c)においては領域546の1つのセルと1辺を接するセルを照度寄与率が最も高いセルとみなし、これらのセルにおける非遮光領域を他のセルの非遮光領域とする。
【0055】
以上述べたように、上記実施の形態によれば、遮光板による遮光ユニットもちいた投射型映像表示装置において、照度分布をより均一に保ちながら、大きなダイナミックレンジの映像を得ることができる。
【0056】
またこれらの遮光量の大きさは図示しない演算部が入力された映像信号から遮光すべき量を算出し、図示しないモータ等の駆動装置を駆動する信号に変換し、前述の駆動装置の駆動によって、遮光板の移動量、回動量に変換され調節される。
【符号の説明】
【0057】
1…光源、2…反射鏡、3…第1のアレイレンズ、4…第2のアレイレンズ、5…偏光変換素子、6…集光レンズ、7…反射ミラー、8…反射ミラー、9…反射ミラー、10…反射ミラー、11…ダイクロイックミラー、12…ダイクロイックミラー、13…コンデンサレンズ、14…ライトバルブ、15…第1のリレーレンズ、16…第2のリレーレンズ、17…第3のリレーレンズ、18…映像表示素子、21…光合成プリズム、100…スクリーン、200…投射レンズ、300…光軸、401…セルの稜線、402…軸、403…軸、404…セル、404a…非遮光領域、404b…遮光領域、404c…非遮光領域、404d…遮光領域、405…セル、405a…非遮光領域、405b…遮光領域、405…セル、405c…非遮光領域、405d…遮光領域、406…照度分布、406c…照度分布、406d…照度分布、411…照度、421…セルの領域、422…セルの領域、425…遮光領域、426…非遮光領域、501…遮光ユニット、502…遮光板、503…遮光板、504…遮光領域、505…遮光領域、545…セルの領域、546…セル、552…セルの領域、555…セルの領域、563…セルの領域、567…セルの領域、569…セルの領域、571…セルの領域、601…方向、602…方向、603…方向、604…方向、605…方向、606…方向、700…光束群、2000…反射鏡の反射面、L…光線、LB…光線、LG…光線、LR…光線
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源と、
前記光源が出射する光を変調するライトバルブと、
前記ライトバルブが変調する光を投射する投射レンズと、
前記光源が出射する光束を複数の光束に分割する第1のアレイレンズであって、マトリックス状に配列される第1の複数のレンズセルを有する第1のアレイレンズと、
前記第1の複数のレンズセルの各々に共役な第2の複数のレンズセルを有する第2のアレイレンズと、
前記第2の複数のレンズセルが出射する複数の光束を前記ライトバルブ上に重畳するコンデンサレンズと、
前記光源と前記レンズの間に設置される遮光ユニットであって、
前記遮光ユニットは、前記光源が出射する光の光軸に線対称な第1の遮光板と第2の遮光板を有し、
前記第1の遮光板と前記第2の遮光板で形成される遮光面において、
前記第1の複数のレンズセルのうち前記第1のアレイレンズ上の前記光軸に接する第3のレンズセルと隣接する第4のレンズセルに対応する第1の領域の開口面積が、前記第4のレンズセル以外の第1の複数のレンズセルに対応する第2の領域の開口面積よりも大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項2】
請求項1に記載の投射型映像表示装置において、
前記第1の領域の開口面積は、前記第3のレンズセルに対応する第3の領域の開口面積よりも大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載の投射型映像表示装置において、
前記第1の領域の開口面積は、前記第1の領域の面積の1/2以上であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項4】
光源と、
前記光源が出射する光を変調するライトバルブと、
前記ライトバルブが変調する光を投射する投射レンズと、
前記光源から射出される光束を分割する第1のレンズアレイであって、前記光源から射出される光の光軸に接する第1のレンズセルと、前記第1のレンズセルに隣接する第2のレンズセルと、その他の第3のレンズセルがマトリックス状に配置される第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイからの光束を前記ライトバルブに結像させる前記第1のレンズアレイに共役な第2のレンズアレイと、
前記光源と前記ライトバルブの間に配置される遮光ユニットであって、前記遮光ユニットは、
前記第1のアレイレンズに投影される面積のうち、前記第2のレンズセルに投影される面積が前記第1のレンズセルに投影される面積または前記第3のレンズセルに投影される面積よりも小さい形状の遮光板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項5】
請求項4記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光板は、前記光軸に対して線対称に配置され、各々回動可能な第1の遮光板と第2の遮光板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項6】
請求項4または5記載の投射型映像表示装置において、
前記第2のレンズセルに投影される面積は前記第2のレンズセルの面積の1/2以下であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項7】
光源と、
前記光源から射出される光束を分割する第1のレンズアレイであって、前記光源から射出される光の光軸に接する第1のレンズセルと、前記第1のレンズセルに隣接する第2のレンズセルと、その他の第3のレンズセルがマトリックス状に配置される第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイからの光束を結像させる前記第1のレンズアレイに共役な第2のレンズアレイと、
前記第2のレンズセルの遮光面積を前記第1のレンズセルの遮光面積および前記第3のレンズセルの遮光面積よりも小さく遮光する遮光ユニットと、
前記第2のアレイレンズが結像する光束を変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子が変調した光束を投射する投射ユニットを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項8】
請求項7記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光ユニットは、前記光軸に対して線対称に配置され、各々回動可能な第1の遮光板と第2の遮光板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項9】
請求項7または8記載の投射型映像表示装置において、
前記第1のレンズセルの遮光面積は前記第1のレンズセルの面積の1/2以下であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項10】
請求項7乃至9いずれか一に記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光ユニットは、前記第1のレンズセル、前記第2のレンズセル、前記第3のレンズセルの各々を通過する光束は、少なくとも一部を遮光することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項11】
請求項7乃至10いずれか一に記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光ユニットは、前記光源から射出される光の光量の80%以上を遮光することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項1】
光源と、
前記光源が出射する光を変調するライトバルブと、
前記ライトバルブが変調する光を投射する投射レンズと、
前記光源が出射する光束を複数の光束に分割する第1のアレイレンズであって、マトリックス状に配列される第1の複数のレンズセルを有する第1のアレイレンズと、
前記第1の複数のレンズセルの各々に共役な第2の複数のレンズセルを有する第2のアレイレンズと、
前記第2の複数のレンズセルが出射する複数の光束を前記ライトバルブ上に重畳するコンデンサレンズと、
前記光源と前記レンズの間に設置される遮光ユニットであって、
前記遮光ユニットは、前記光源が出射する光の光軸に線対称な第1の遮光板と第2の遮光板を有し、
前記第1の遮光板と前記第2の遮光板で形成される遮光面において、
前記第1の複数のレンズセルのうち前記第1のアレイレンズ上の前記光軸に接する第3のレンズセルと隣接する第4のレンズセルに対応する第1の領域の開口面積が、前記第4のレンズセル以外の第1の複数のレンズセルに対応する第2の領域の開口面積よりも大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項2】
請求項1に記載の投射型映像表示装置において、
前記第1の領域の開口面積は、前記第3のレンズセルに対応する第3の領域の開口面積よりも大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載の投射型映像表示装置において、
前記第1の領域の開口面積は、前記第1の領域の面積の1/2以上であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項4】
光源と、
前記光源が出射する光を変調するライトバルブと、
前記ライトバルブが変調する光を投射する投射レンズと、
前記光源から射出される光束を分割する第1のレンズアレイであって、前記光源から射出される光の光軸に接する第1のレンズセルと、前記第1のレンズセルに隣接する第2のレンズセルと、その他の第3のレンズセルがマトリックス状に配置される第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイからの光束を前記ライトバルブに結像させる前記第1のレンズアレイに共役な第2のレンズアレイと、
前記光源と前記ライトバルブの間に配置される遮光ユニットであって、前記遮光ユニットは、
前記第1のアレイレンズに投影される面積のうち、前記第2のレンズセルに投影される面積が前記第1のレンズセルに投影される面積または前記第3のレンズセルに投影される面積よりも小さい形状の遮光板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項5】
請求項4記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光板は、前記光軸に対して線対称に配置され、各々回動可能な第1の遮光板と第2の遮光板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項6】
請求項4または5記載の投射型映像表示装置において、
前記第2のレンズセルに投影される面積は前記第2のレンズセルの面積の1/2以下であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項7】
光源と、
前記光源から射出される光束を分割する第1のレンズアレイであって、前記光源から射出される光の光軸に接する第1のレンズセルと、前記第1のレンズセルに隣接する第2のレンズセルと、その他の第3のレンズセルがマトリックス状に配置される第1のレンズアレイと、
前記第1のレンズアレイからの光束を結像させる前記第1のレンズアレイに共役な第2のレンズアレイと、
前記第2のレンズセルの遮光面積を前記第1のレンズセルの遮光面積および前記第3のレンズセルの遮光面積よりも小さく遮光する遮光ユニットと、
前記第2のアレイレンズが結像する光束を変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子が変調した光束を投射する投射ユニットを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項8】
請求項7記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光ユニットは、前記光軸に対して線対称に配置され、各々回動可能な第1の遮光板と第2の遮光板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項9】
請求項7または8記載の投射型映像表示装置において、
前記第1のレンズセルの遮光面積は前記第1のレンズセルの面積の1/2以下であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項10】
請求項7乃至9いずれか一に記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光ユニットは、前記第1のレンズセル、前記第2のレンズセル、前記第3のレンズセルの各々を通過する光束は、少なくとも一部を遮光することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項11】
請求項7乃至10いずれか一に記載の投射型映像表示装置において、
前記遮光ユニットは、前記光源から射出される光の光量の80%以上を遮光することを特徴とする投射型映像表示装置。
【図1(a)】
【図1(b)】
【図1(c)】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図1(b)】
【図1(c)】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2012−163966(P2012−163966A)
【公開日】平成24年8月30日(2012.8.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−59609(P2012−59609)
【出願日】平成24年3月16日(2012.3.16)
【分割の表示】特願2011−82389(P2011−82389)の分割
【原出願日】平成17年8月9日(2005.8.9)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年8月30日(2012.8.30)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年3月16日(2012.3.16)
【分割の表示】特願2011−82389(P2011−82389)の分割
【原出願日】平成17年8月9日(2005.8.9)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
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