JP4433930B2 - 光学装置および投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば液晶プロジェクタ等の表示装置の照明装置として用いられる光学装置および投射型表示装置に関するものである。

液晶プロジェクタは、液晶材料を用いた空間光変調器（以下、液晶パネルという）を用いるプロジェクタ装置である。
液晶プロジェクタにおいては、液晶パネル自体は発光しない。そこで、液晶プロジェクタにおいては、液晶パネルと光源とを組み合わせ、液晶パネルに光を照射して照明する。
そして、液晶パネルに映像信号を印加し、液晶パネルにより形成された像を、投射レンズによりスクリーンに投射する。
このような構成を有する液晶プロジェクタにより、小型で効率の良いプロジェクタ装置を実現できる。

ところで、液晶材料の中には、印加電界に従い、入射光の偏光を変化させる性質（施光性）を持つものがある。
液晶パネル、この性質を利用して光変調を行うものが多い。
このために、液晶パネルに入射する光は、ある一方向の直線偏光（ｐ偏光またはｓ偏光）とする必要がある。そして、液晶パネルを出射する光は、液晶パネルに印加される映像信号に従い偏光方向が回転する。
そこで、光変調を行うために液晶パネルの出射側に検光子として偏光子が配置される。

また、偏光変換光学装置を採用した液晶プロジェクタとしては、スクリーンが置かれた環境に応じてより見やすい表示画像が得られるように、絞りオン・オフモード切替を持つプロジェクタが提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平８−１０６０９０号公報

ところで、偏光変換光学系を用いて光源光の利用効率向上を図った液晶プロジェクタ光学系において、液晶パネルに入射する照明光は照明設計に応じた有限角度分布を持つため、液晶の配向による偏光特性が乱れコントラストが低下する。
照明光学系のＦナンバを大きくすると、液晶パネルへの入射角が垂直に近くなるため偏光特性が有効に働きコントラストが上昇する。
一方、照明光学系のＦナンバを大きくとった場合は光路長が長くなり照明装置の占有体積が増加する。その結果、セット外形サイズの増大、材料コストの上昇といった短所を併せ持つ。

また、絞りオン／オフモード切替を持つプロジェクタにおいては、性能向上に限界がある。
絞りオン／オフの２モード切替により、映画などの暗いシーンが多いプログラム再生の際にランプ駆動電圧をLoモードに切り替え、さらに絞りオン（例：遮光率20％）状態にすることにより、黒レベルを下げコントラスト向上を図っている（シネマブラックProなどのモード）。
鑑賞中は常に絞りオンで一部遮光状態であり同時に白レベルも下がるため、明るいシーンでの輝度もそれに応じて低下する。違和感のない遮光率設定とした結果、コントラスト向上も約２０％アップに止まり大幅な向上は望めない。

また、一般的に虹彩型絞りでは、制御方法が簡単なことからステッピングモータが多く用いられるが、投影する画面の照度に応じて連続的に、かつ高速で動作させると、作動中に耳障りな励磁騒音を発するので静音性を求められるホーム用プロジェクタではノイズ源となり使用上不適切である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、セット外形サイズの増大、材料コストの上昇を抑止でき、しかもコントラスト向上を図れ、また、絞り動作時に騒音が小さく静音性に優れた光学装置およびそれを用いた投射型表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点の光学装置は、照明光を出射する光源と、上記光源から発せられた照明光を均一化する、上記光源の光軸上に当該光源の光軸中心と自らの中心とを一致させて所定間隔をあけて配置された一対の第１のマルチレンズアレイおよび第２のマルチレンズアレイと、上記光軸に対して同心円状に開閉する絞り開口部を備えて上記第１のマルチレンズアレイと上記第２のマルチレンズアレイとの間に配置される可変開口絞り装置とを有し、上記可変開口絞り装置は、上記第１のマルチレンズアレイならびに上記第２のレンズアレイに隣接せず、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各々に対して等距離をもって、かつ、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各中心軸と上記絞り開口部の開口中心とが一致するように配置され、上記絞り開口部が全閉状態とされたとき開口率が０％とならない構造を有する。

本発明の第２の観点の投射型表示装置は、入力される画像情報に基づいて入射される照明光を変調して出射する光変調手段と、上記光源からの照明光を上記光変調手段に入射させる照明光学装置と、上記光変調手段から出射される照明光を投射する投射光学系と、を有し、上記照明光学装置は、照明光を出射する光源と、上記光源から発せられた照明光を均一化する、上記光源の光軸上に当該光源の光軸中心と自らの中心とを一致させて所定間隔をあけて配置された一対の第１のマルチレンズアレイおよび第２のマルチレンズアレイと、上記光軸に対して同心円状に開閉する絞り開口部を備えて上記第１のマルチレンズアレイと上記第２のマルチレンズアレイとの間に配置される可変開口絞り装置とを有し、上記可変開口絞り装置は、上記第１のマルチレンズアレイならびに上記第２のレンズアレイに隣接せず、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各々に対して等距離をもって、かつ、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各中心軸と上記絞り開口部の開口中心とが一致するように配置され、上記絞り開口部が全閉状態とされたとき開口率が０％とならない構造を有する。

好適には、上記可変開口絞り装置は、上記絞り開口部の開口動作を連接リンク機構により駆動するアクチュエータを有する。

好適には、上記アクチュエータは、ガルバノメータを含み、当該ガルバノメータは上記光源に対して出射面側に配置されている。

好適には、上記可変開口絞り装置は、上記絞り開口部に同一形状の複数の絞り羽根を含み、当該複数の絞り羽根が同期的に開閉される。

好適には、上記絞り羽根の表面は光沢メッキ仕上げされ、羽根の隣接する羽根との重なり領域に点接触する突起が形成されている。

好適には、上記可変開口絞り装置の少なくとも上記アクチュエータを強制冷却する冷却構造を有する。
また、好適には、上記可変開口絞り装置の少なくとも上記アクチュエータおよび上記絞り羽根を強制冷却する冷却構造を有する。

好適には、上記アクチュエータは、作動ストローク限界を除くように作動制御される。

本発明によれば、第１のマルチレンズアレイと第２のマルチレンズアレイとの間で、略等距離の位置に絞り装置が配置される。
そして、絞り装置は、たとえば映像信号の平均輝度レベルに応じてレベルが高いときは絞り開口率を大きく低いときは小さく、常に最適な絞り口径となるよう連続可変動作さ、黒側で照明Ｆナンバが最大となるように制御される。
また、たとえば白側で照明Ｆナンバが最小かつ絞り開口率１００％となるように制御される。
開口率０％とならないような構造を有し、絞り羽根の表面を光沢めっき仕上げとし、羽根表面に羽根同士が重なる領域において、点接触可能なように突起を設けてあり、アクチュエータ（たとえばガルバノメータ）が光源に対して出射面側に配置されていることから、駆動用アクチュエータを強制冷却する。したがって、スムースが開閉動作が実現され、駆動アクチュエータ等の各部が高熱の影響で誤動作することが防止される。

本発明によれば、絞り装置を所定の場所に設置すると従来の照明光学系の光学設計を変えることなく偏光効率を向上できるので、スクリーン上に投写される映像コントラストを大幅に向上させることができる。
本絞り装置を設置することによる照明光学系の占有体積の増加は絞り装置取り付け部周辺のみであり、商品性を損なうことなく大幅に性能向上を達成できる。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に関連付けて説明する。

図１は、本発明に係る光学装置を採用した液晶プロジェクタ（投射型表示装置）の一実施形態を原理的に示す図である。
図２は、本発明に係る光学装置を採用した液晶プロジェクタ（投射型表示装置）の実装形態を示す図である。

本液晶プロジェクタ１００は、図１および図２に示すように、光源部１０１、コリメータレンズ１０２、光学フィルタ１０３、第１のマルチレンズアレイ（ＭＬＡ）１０４、絞り装置１０５、第２のＭＬＡ１０６、偏光変換素子１０７、集光レンズ１０８、ダイクロイックミラー１１０Ｒ、１１０Ｇ、反射ミラー１１１，１１２，１１３、集光レンズ１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂ、偏光板１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂ、液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂ、偏光板１２３Ｒ，１２３Ｇ，１２３Ｂ、ダイクロイックプリズム１２４、投射光学系１２５、リレーレンズ１３０，１３１等から構成される。
そして、光源部１０１、コリメータレンズ１０２、光学フィルタ１０３、第１ＭＬＡ１０４、絞り装置１０５、第２ＭＬＡ１０６、偏光変換素子１０７、および集光レンズ１０８により照明光学装置１０９が構成される。

本発明の特徴部分である絞り装置１０５は、第１のＭＬＡ１０５と第２のＭＬＡ１０６との間の光路途中、具体的には、第１ＭＬＡ１０５と第２ＭＬＡ１０６の配置位置間の略中央部に配置されており、光軸（照明光Ｌとして示した実線）に対して同心円状に開閉する可変開口照明絞り装置である。
また、絞り装置１０５は、駆動装置としてステッピングモータではなくガルバノメータを採用している。
以下、液晶プロジェクタ１００の各構成要素の構成および機能について説明し、続いてび絞り装置１０５の具体的な構成および機能について説明し、さらに液晶プロジェクタの冷却構造について説明する。

光源部１０１は、放電ランプ１０１ａおよび反射集光鏡１０１ｂから構成されており、この放電ランプ１０１ａから出射された光を反射集光鏡１０１ｂが集光してコリメータレンズ１０２に向けて出射する。

コリメータレンズ１０２は、光源部１０１から出射された照明光Ｌを平行束として光学フィルタ１０３に向けて出射する。

光学フィルタ１０３は、光源部１０１から出射され、コリメータレンズ１０２を介した照明光Ｌに含まれる赤外線領域および紫外線領域の不要な光を除去する。

第１のＭＬＡ１０４は、光源部１０１からの照明光Ｌを複数に分割し、それらの光学像を第２のＭＬＡ１０６の光入射面近傍に配置させる。
より具体的には、第１のＭＬＡ１０４は、複数のレンズがアレイ状に配置され、照明光Ｌを複数の像に分割し、分割像を集光して、各分割像の光スポットを所定の位置（第２のＭＬＡ１０６の光入射面近傍）にレイアウトさせる。

絞り装置１０５は、照明光学装置１０９の第１のＭＬＡ１０４と第２ＭＬＡ１０６の間でかつ略両者の中間位置に略等距離をもって配置され、光軸に対して同心円状に開閉する。
絞り装置１０５は、映像信号の平均輝度レベルに応じてレベルが高いときは絞り開口率を大きく低いときは小さく、常に最適な絞り口径となるよう連続可変動作させる。
絞り装置１０５は、黒側で照明Ｆナンバが最大となるように制御される。
また、絞り装置１０５は、白側で照明Ｆナンバが最小かつ絞り開口率１００％となるように制御される。
そして、絞り装置１０５は、開口率０％とならないような構造を有する。
絞り装置１０５は、同一形状を持つ絞り羽根の枚数が６枚以上であり、これらの絞り羽は同期的に開閉される。絞り羽根の表面を光沢めっき仕上げとし、羽根表面に羽根同士が重なる領域において、点接触可能なように突起を設けてある。
また、絞り装置１０５は、駆動用アクチュエータおよび羽根の開口位置検出用センサを断熱マウントする構造を有し、駆動用アクチュエータが光源部１０１に対して出射面側に配置されている。
さらに、絞り装置１０５は、駆動用アクチュエータを強制冷却する構造を有し、照明絞り装置の羽根およびその周辺部を強制冷却する構造を有する。
また、絞り装置１０５は、アクチュエータ作動ストローク限界（メカ終端位置）を使用しないように構成される。
以上の特徴を有する絞り装置１０５の具体的な構成および機能については、後で詳述する。

第２のＭＬＡ１０６は、第１のＭＬＡ１０４による分割光源像を、液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂの照明光として入射可能となるように偏光変換素子１０７に入射させる。
第２のＭＬＡ１０６は、第１のＭＬＡ１０４により集光される複数の光スポットに対応する複数のレベルが配置され、各レンズにより第１のＭＬＡ１０４により分割像を重畳結合して出射する。

偏光変換素子１０７は、たとえば、短冊状に配列された偏光ビームスプリッタと、これに対応して間欠的に設けられた位相差板から構成され入射した照明光Ｌのｐ偏光成分をｓ偏光成分に変換し、全体としてｓ偏光成分を多く含む偏光方向の揃えられた照明光を出力する。

集光レンズ１０８は、偏光変換素子１０７を通過した照明光Ｌが液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂにおいて重ね合わされるように集光する。

ダイクロイックミラー１１０Ｒは、集光レンズ１０８を通過した偏光方向の揃えられた照明光Ｌの光軸に対して４５度傾斜しており、照明光Ｌのうち、赤色の波長領域の光ＬR
のみ反射ミラー１１１に向けて反射し、その他の波長域の光ＬGBを透過する。

反射ミラー１１１は、ダイクロイックミラー１１０Ｒで反射された光ＬR の光軸に対して４５度傾斜しており、光ＬR を集光レンズ１２０Ｒに向けて反射する。

ダイクロイックミラー１１０Ｇは、ダイクロイックミラー１１０Ｒを透過した光ＬGBの光軸に対して４５度傾斜しており、ダイクロイックミラー１１０Ｒを透過した光ＬGBのうち緑色の波長域の光ＬG のみを集光レンズ１２０Ｇに向けて反射し、その他の波長域（青色の波長域）の光ＬB を透過する。

リレーレンズ１３０および１３１は、青色の波長域の光ＬB のダイクロイックミラー１１０Ｇから液晶パネル１２２Ｂまでの光路長が比較的長いため、光路途中で青色光ＬB を結像しなおすために設けられている。
ダイクロイックミラー１１０Ｇを通過した青色光ＬB は、リレーレンズ１３０および１３１を通過し、反射ミラー１１３によって集光レンズ１２０Ｇに向けて反射される。

各集光レンズ１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂおよび液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂは、立方体形状のダイクロイックプリズム１２４の３つの側面に対して所定の位置にそれぞれ配置されている。
また、液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂの入射側と出射側には、偏光子としての偏光板１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂと、検光子としての偏光板１２３Ｒ，１２３Ｇ，１２３Ｂがそれぞれ平行に配置されている。
偏光板１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂは、集光レンズ１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂの出射側にそれぞれ固定されており、偏光板１２３Ｒ，１２３Ｇ，１２３Ｂはダイクロイックプリズム１２４の入射側の３面にそれぞれ固定されている。

液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂは、印加される赤色、緑色、青色の三原色に対応する映像信号によって、集光レンズ１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂを通じて入射する各色光ＬR ，ＬG ，ＬB の強度を変調する。
すなわち、偏光板１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂを透過した所定の偏光方向の色光ＬR
，ＬG ，ＬB は、液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂに印加された映像信号に基づき、偏光面が回転する。
偏光面の回転を受けた光の所定の偏光成分が、偏光板１２３Ｒ，１２３Ｇ，１２３Ｂを透過し、ダイクロイックプリズム１２４に入射される。

ダイクロイックプリズム１２４は、たとえば、複数のガラスプリズムを接合することによって構成されており、各ガラスプリズムの接合面には、所定の光学特性を有する干渉フィルタ１２４ａ，１２４ｂが形成されている。
干渉フィルタ１２４ａは、青色光ＬB を反射し、赤色光ＬR および緑色光ＬG ，を透過する。干渉フィルタ１２４ｂは、赤色光ＬR を反射し、緑色光ＬG および青色光ＬB を透過する。
したがって、液晶パネル１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂによって変調された各色光ＬR
，ＬG ，ＬB は、合成されて投射光学系１２５に入射する。

投射光学系１２５は、たとえば、ダイクロイックプリズム１２４から入射された映像光をスクリーン等の投影面に、向けて投射する。スクリーンには、カラー映像が映し出される。

以下に、絞り装置１０５の具体的な構成および機能について、図面に関連付けて説明する。

図３は、本実施形態に係る絞り装置の構成例を示す正面図である。また、図４は、本実施形態に係る絞り装置の構成例を示す斜視図である。

絞り装置１０５は、中央部に円形状に開口する開口部２０１が形成され、ＰＰＳ等の耐熱性樹脂により形成される本体部２００と、本体部２００の一面（図の手前で照明光Ｌの入射面）側の外周縁部に一端部が回転可能に取り付けられた複数（本実施形態では６）毎の絞り羽３０１〜３０６と、本体部２００の図中の右側略中央部に延設された取付部２０２に対して本体部２００の照明光の出射面側に取り付けられ、回転軸に第１揺動アーム４０１が取り付けられた駆動アクチュエータとしてのガルバノメータ４００と、本体部２００の取付部２０２の円弧状に形成され孔であって、第１揺動アーム４０１の移動範囲を規制する規制部２０３を通して本体部２００の照明光Ｌの入射面側に一端が第１揺動アーム４０１に取り付けられた第２揺動アーム５００を有する。
また、本体部２００の図中の略中央部に手前側（照明光Ｌの入射側）にネジ止め取付片２０４，２０５が延設されている。このネジ止め取付片２０４，２０５は、絞り装置１０５を所定の設定位置に挿入すると、図２の示すように取付筐体に当接し、その位置でねじ止め可能となっている。また、この取付片２０４，２０５は、単に取付筐体に当接させるだけで、絞り装置１０５の光軸と光学装置１０９の光軸とが略一致するようになっている。

絞り羽根３０１〜３０６の他端部（開口部２０１内に位置可能な端部）に近傍は、互いに重なり合う領域を有しており、この領域部には隣接する絞り羽根と点接触するように形成された突起部３０１ａ〜３０６ａが形成されている。これにより、開閉時の摩擦抵抗を減らし、スムースな開閉動作を実現している。
また、絞り羽根３０１〜３０６の一端部（回転軸近傍側）には、被案内軸３０１ｂ〜３０６ｂが形成されている。

第２揺動アーム５００は、直線状をなし一端部が第１揺動アーム４０１に取り付けられる被取付部５０１と、被取付部５０１に他端側から円形状に形成された円形状部５０２を有する。第２揺動アーム５００は、たとえば板金により形成される。
第２揺動アーム５００の円形状部５０２は、本体部２００の開口部２０１より若干径が大きい円形の開口部５０３が形成され、この開口部５０３と本体部２００の開口部２０１とを略合わせるようにして、かつ、所定範囲で図３中左右に移動可能に本体部２００に対して取り付けられる。この場合、第２揺動アーム５００が左右に移動しても、本体部２００の開口部２０１を遮らないように開口部５０３の径が設定されている。
円形状部５０２には、周方向にそって複数（本実施形態では６）の長孔５０４〜５０９が形成されている。これら長孔５０４〜５０９には、絞り羽根３０１〜３０６の所定位置、具体的には本体部２００に取り付けた状態で長孔５０４〜５０９の形成位置に対応する位置に形成された被案内軸３０１ｂ〜３０６ｂが係止される。
これにより、ガルバノメータ４００の駆動に伴って所定範囲で回転する第１揺動アーム４０１の移動に応じて、第２揺動アーム５００が図中左右に所定範囲で移動し、これに伴い、絞り羽根３０１〜３０６の被案内軸３０１ｂ〜３０６ｂがそれぞれ第２揺動アーム５００の長孔５０４〜５０９を案合されて、絞り羽根３０１〜３０６が開閉する。

このような構成を有する絞り装置１０５は、以下の特徴を有する。

照明光学装置１０９の第１のＭＬＡ１０４と第２ＭＬＡ１０６の間であるかつ略両者の中間位置に配置している。
絞り開口形状は円形に近似させるため、絞り羽根は同一形状であり、最小絞り口径時に最も真円に近似させた開口部形状をなす。
本実施形態においては、絞り羽根３０１〜３０６の最適な枚数として６枚を選定している。

＜最適な絞り羽根枚数：６枚＞
羽根枚数を減らすと絞り形状が円形ではなくなるため液晶パネル上の照明光量分布の均一性が損なわれる。
絞りの開口径変化に対して最も真円に近似させることができる羽根枚数を選択する。６枚を超える枚数ではコスト高、駆動摩擦抵抗の増大を補うためシステムの複雑性が増大する。
液晶パネルに集光する光線のＦナンバを増加させる効果がある。液晶パネルの各セルへの入射光線の角度成分が減少するため偏光効率が向上し、コントラスト向上に効果的に働く。

そして、絞り装置１０５は、第１のＭＬＡ１０４面に隣接して設置しない。
第１のＭＬＡ１０４は液晶パネルと略共役の関係にあり、絞り羽根３０１〜３０６の開口エッヂ境界付近のセルを通過した光源光の面内照度の不均一性が液晶パネルに結像する際にユニフォミティを低下させるからである。

また、絞り装置１０５は、第２のＭＬＡ１０６面に隣接して設置しない。
第１のＭＬＡ１０４の各セルレンズを通過した光源光は、対応する各第２のＭＬＡ面のセルレンズ上に集光するため、第２のＭＬＡ１０６面上では照度分布が離散的になっている。ランプ光源部１０１の光軸を中心とした単一開口の絞り装置では開口径と絞り光量の関係が鋸状の分布となり直線性が悪化するからである。
以上より、絞り装置１０５の設置位置について実験を行ったところ、第１のＭＬＡ１０４と第２のＭＬＡ１０６から略等距離とすると最適なユニフォミティと光量変化の直線性を得ることができた。

絞り装置１０５は外形と絞り羽根３０１〜３０６の開口中心が一致するように設計製作する。
絞り装置１０５は、第１のＭＬＡ１０４と第２のＭＬＡ１０６の間に光軸と絞り装置の中心軸が一致するように設置固定される。
照明光学ユニット側の絞り装置収納部には、絞り装置１０５の外形をガイドとして収納すると、特別な位置決めの必要なく照明光源部１０１の光軸中心と絞り装置１０５の開口中心が一致する構造となっている。
ガルバノメータ４００の出力軸には第１揺動アーム４０１が固定されガルバノメータ軸の揺動回転に伴い揺動する。
第１揺動アーム４０１の先端部には駆動ピンが固定され、第２揺動アーム５００の摺動ガイド溝（規制部２０３）に係合している。
第２揺動アーム５００は、第１揺動アーム４０１を介して、絞り本体部２００に形成した回転方向ガイド（長孔５０４〜５０９）に沿って照明光軸を中心として回転可能となるようにガイドされる。
第２揺動アーム５００には、絞り装置の各羽根に対して、同期開閉するための係合ピンが円周上に配置固定される。
ガルバノメータ４００の出力軸と絞り羽根は機械的に連接しており、ガルバノメータ４００に対して所定の絞り開口を得るためのコントロール電圧を印加すると、ガルバノメータ出力軸→第１揺動アーム→第２揺動アーム→絞り羽根の順で変位が伝達され、外部（この場合プロジェクタのコントロール側）からのコントロール電圧値により任意の絞り開口を得ることができる。

図５は、本実施形態に係るガルバノメータの一例を示す回路図である。また、図６は、本本実施形態に係るガルバノメータの制御特性をす図である。
このガルバノメータ４００は、図５に示すように、ホール素子４１０、制動コイル４１１、駆動コイル４１２、オペアンプ４１３〜４１５、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ１９、キャパシタＣ１〜Ｃ５を有する。抵抗素子Ｒ９、Ｒ１４は可変抵抗素子である。

ガルバノメータ４００のコントロール信号として目標となる絞り口径の位置信号が入力されると、駆動コイル４１２に電流が流れガルバノメータの出力軸が回転する。
軸回転に伴い、ガルバノメータ４００内部に設置されたホール素子４１０から回転位置信号が出力され、入力コントロール信号と平衡状態になったところで出力軸が停止する。
制動コイル４１１は駆動コイル４１２のピックアップセンサとして働き、急激な変化にはブレーキとして働くように常にフィードバックをかけ平衡状態を保つ。
ガルバノメータ４００を構成する主にホール素子４１０の個体差によるコントロール電圧と揺動角の個体差（ばらつき）をなくすため、電源オン時にプロジェクタ側に設けた図示しない制御用マイクロコンピュータ（マイコン）によりイニシャライズ動作を行う。
ホール素子４１０の出力電圧により、オープン端とクローズ端での電圧をサンプリングし、絞り装置１０５のオープン端とクローズ端までの出力電圧の絶対量を制御側に用意したメモリに記憶する。
ガルバノメータ４００の最大揺動角と上記出力電圧の絶対量から、揺動角と出力電圧の関係が分かり出力軸の絶対回転角を任意の角度に位置決めすることができる。

次に、駆動源としてガルバノメータ４００を用いる理由について説明する。
ガルバノメータ４００は、動作時の騒音が非常に小さく無音に近い高速動作（全開から全閉まで約５０〜７０ms）が可能である。
絞り装置１０５は、羽根３０１〜３０６を所定の速度と精度で目標位置に位置決めする必要がある。
一般的に虹彩型絞りでは制御方法が簡単なことからステッピングモータが多く用いられるが、投影する画面の照度に応じて連続的に、かつ高速で動作させると、作動中に耳障りな励磁騒音を発するので静音性を求められるホーム用プロジェクタではノイズ源となり使用上不適切である。
これに対して、ガルバノメータ４００は、騒音源となるギヤを介さず連接リンクのみにより駆動することで機械騒音を抑制できる。駆動コイル４１２と制動コイル４１１に流す電流値を最適化し、始動と停止時の加速度カーブを最適化し、加減速時の機構部慣性とバックラッシュによる衝撃音を出さないように制御する。
ガルバノメータ４００の出力軸は機械的な終端位置ではメカ衝突音が発生する。実際の制御においては揺動限界である終端位置より内側での使用とし、終端位置での衝突音を出さないように制御する。

次に、絞り開口径について説明する。
図７は、本実施形態に係る絞り装置の絞りオフ（全開：０％遮光）時の様子を示す図である。
図８は、本実施形態に係る絞り装置の絞りオン（５０％遮光：固定モード）時の様子を示す図である。
図９は、本実施形態に係る絞り装置の絞りオン（全閉：８０％遮光）時の様子を示す図である。

本実施形態の絞り装置１０５は、ＡＰＬ（average picture level ）変動に応じて、図７〜図８に示すように、絞りの開口径をダイナミックに変化させる。
プロジェクタ側の制御系は、絞りオン（ON）／オフ（OFF）／自動（AUTO）の３種類の設定モードを有する。
絞りOFFモードでは絞り全開状態で遮光率０％、絞りONでは遮光率５０％、絞りAUTOでは遮光率０〜８０％の間で最適な絞り開口となるように可変制御される。

ここで、AUTOモードでの絞り開口率の制御方法について説明する。
液晶パネルドライブ回路では入力信号フォーマットを出力フォーマットに見合った画面サイズ、映像信号タイミング、解像度などに変換するために、最低１フレーム分はいったんフレームバッファに蓄積した後パネルドライバより出力される。
絞り装置制御用のマイコンは、出力前の１フレームに含まれるＡＰＬ情報を取り込み、その値を認識する。
認識したＡＰＬ情報に基づいて最適な絞り開口を得るためのコントロール信号にデジタル・アナログ（ＤＡ）変換される。
液晶パネルへの画像信号出力と同期して、ＡＰＬ情報より最適化されたこのコントロール信号を絞り装置駆動回路に印加し、最適な絞り開口を得る。
絞り装置制御用のマイコンは、前後フレームのＡＰＬ変動を比較しその差分を認識する。
フレーム間でのＡＰＬ変動が予め設定されたしきい値を超える場合は、コントロール信号に対して１以下の係数を乗じて絞り装置を駆動することで絞り開口の急激な変化を抑制する。
鑑賞者である人間の眼は急激な明るさ変化に対してはその明るさの絶対値において鈍感である。たとえば、一般的に急に暗いところから明るいところに移動した際に、周囲の明るさに眼が慣れるまでには約４０秒の時間を要する。
こうした眼の特性を踏まえて鑑賞者が不快感を覚えないような係数を求め、絞り装置駆動に関連した諸パラメータを決定する。

本実施形態の絞り装置１０５は、全閉状態でも遮光率１００％ではなく約８０％までに留めている。
最小絞り開口径は、ユニフォミティが目標規格内であり、かつ、羽根表面の異常温度上昇による発煙・発火などのシステムトラブルを想定して決定される。
絞り開口径の減少に伴い、いわゆるインテグレータ光学系の重ね合わせ効果が薄れ、各セルレンズの光量分布の不均一性が液晶パネル上に現れやすくなる。
光源ランプは常時点灯しているので１００％遮光状態では第１のＭＬＡ１０４を透過したランプ光源からの光エネルギーがすべて絞り羽根３０１〜３０６に到達し、羽根表面への熱吸収に伴う温度上昇が著しい。何らかのシステム異常により、絞り装置の強制冷却が停止した場合でも光源光（照明光Ｌ）の一部が透過するので、著しく高温になる危険性から回避される。

次に、本実施形態における絞り装置１０５の耐熱対策について述べる。

図１０は、本実施形態に係る液晶プロジェクタ１００の冷却構造を示す図である。
この冷却構造６００は、図１０に示すように、ランプバラストおよび絞り装置冷却専用シロッコファン６０１、プリズムおよび絞り装置冷却専用シロッコファン６０２、ランプバラスト６０３、絞り装置冷却用ダクト６０４、プリズム冷却用送風口６０５、ガルバノメータ冷却送風口６０６、絞り羽根冷却送風口６０７、第２のＭＬＡ冷却送風口６０８、および偏光変換素子冷却送風口６０９を有している。

ガルバノメータ４００の本体内部には、図５に示すように、ホール素子４１０と周辺回路基板が内蔵される。ホール素子の温度ドリフトによる検出精度の劣化防止のためガルバノメータ４００の内部が６０°Ｃを超えない温度に管理する必要がある。
絞り装置１０５本体は照明光源光エネルギー吸収により高温になる（約９５°Ｃ）。
ガルバノメータ４００と絞り装置１０５本体を断熱するため、前述したように、絞り装置本体部２００はＰＰＳなどの耐熱樹脂で製作する。
高温になる絞り装置本体部２００との断熱のため、ガルバノメータ４００は最小径の２本の樹脂製ボスで絞り装置本体部２００の取付部２０２に固定され、それ以外の部分は空気を断熱層として空間的な距離を保つ構造をとっている。
ガルバノメータ４００の第１揺動アーム４０１と第２揺動アーム５００との接触は駆動ピンのみとし、両者の熱伝導を最小限としている。
ガルバノメータ４００の温度上昇を防止するためガルバノメータ冷却送風口６０６により強制空冷する。この空冷は、図１０に示すように、ランプ駆動用バラスト冷却を兼ねているのでコスト上昇にはつながらない。
上記冷却対策により、ガルバノメータ４００およびホール素子４１０表面温度は確実に６０℃以内に管理される。

絞り羽根３０１〜３０６表面温度は無冷却の場合３００〜４００°Ｃまで上昇する。
羽根材質はステンレス、ＳＫ材などの金属で、光沢クロムめっきを施し反射率を高めて熱吸収を抑制する。
羽根表裏の温度差により羽根が変形すると、摺動抵抗が増大し動作が不安定になる恐れがある。
羽根表面に点状突起を形成している。羽根同士を点接触とし摺動抵抗の増大を抑制する。
照明光学ユニットの絞り装置を収納する部分に羽根の強制空冷用の絞り羽根冷却送風口６０７を設けている。
冷却用の絞り羽根冷却送風口６０７より羽根に沿って冷却風が流れるように送風ダクトを配置し、強制冷却する。羽根は厚みが約０．１mm程度であり、熱容量はごく小さく空冷効果が顕著に現れる。
羽根冷却用のダクトは偏光変化素子冷却用と兼ねているため、コスト上昇はダクト形成時の金型加工費用分のみである。

また、図１１は、本実施形態に係る照明光学装置１０９の絞り装置周辺の温度を示す図である。
図中、ＵＴは照明光学ユニット（筐体）であることを示している。
図１１において、横軸が時間、縦軸が温度を表している。
図１１において、Ａで示す曲線はガルバノメータ４００の外側の温度、Ｂで示す曲線はＵＴ表面で出射側／内部の温度を、Ｃで示す曲線はＵＴ表面で出射側／外部の温度を、Ｄで示す曲線はＵＴ表面で入射側／外部の温度を、Ｅで示す曲線は羽根表面で出射面の温度、Ｆで示す曲線は雰囲気の出射側の温度を、Ｇで示す曲線は雰囲気の入射側の温度を、Ｈで示す曲線はＵＴ表面で入射側の温度を、Ｉで示す曲線はＵＴ表面で出射側の温度を、それぞれ示している。

図１１からわかるように、本実施形態の液晶プロジェクタ１００の照明光学装置１０９は、冷却装置６００により冷却効果により、各部の温度を６０°以下に保持することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、照明光学装置１０９の第１のＭＬＡ１０４と第２ＭＬＡ１０６の間でかつ略両者の中間位置に光軸に対して同心円状に開閉する絞り装置１０５を配置し、絞り装置１０５は、映像信号の平均輝度レベルに応じてレベルが高いときは絞り開口率を大きく低いときは小さく、常に最適な絞り口径となるよう連続可変動作さ、黒側で照明Ｆナンバが最大となるように制御され、白側で照明Ｆナンバが最小かつ絞り開口率１００％となるように制御され、開口率０％とならないような構造を有し、絞り羽根の表面を光沢めっき仕上げとし、羽根表面に羽根同士が重なる領域において、点接触可能なように突起を設けてあり、ガルバノメータ４００および羽根の開口位置検出用センサを断熱マウントする構造を有し、ガルバノメータ４００が光源部１０１に対して出射面側に配置されていることから、以下の効果を得ることができる。

本実施形態による照明絞り装置１０５を所定の場所に設置すると従来の照明光学系の光学設計を変えることなく偏光効率を向上できるので、スクリーン上に投写される映像コントラストを大幅に向上させることができる。
本絞り装置１０５を設置することによる照明光学系の占有体積の増加は絞り装置取り付け部周辺のみであり、商品性を損なうことなく大幅に性能向上を達成できる。
黒側で照明Ｆナンバ最大とするように制御することで、更なるコントラスト上昇が見込める。
さらに、絞り装置１０５は、駆動用アクチュエータを強制冷却する構造を有し、照明絞り装置の羽根およびその周辺部を強制冷却する構造を有することから、駆動アクチュエータ等の各部が高熱の影響で誤動作することを防止できる。

本発明に係る光学装置を採用した液晶プロジェクタ（投射型表示装置）の一実施形態を原理的に示す図である。 本発明に係る光学装置を採用した液晶プロジェクタ（投射型表示装置）の実装形態を示す図である。 本実施形態に係る絞り装置の構成例を示す正面図である。 本実施形態に係る絞り装置の構成例を示す斜視図である。 本実施形態に係るガルバノメータの一例を示す回路図である。 本本実施形態に係るガルバノメータの制御特性をす図である。 本実施形態に係る絞り装置の絞りオフ（全開：０％遮光）時の様子を示す図である。 本実施形態に係る絞り装置の絞りオン（５０％遮光：固定モード）時の様子を示す図である。 本実施形態に係る絞り装置の絞りオン（全閉：８０％遮光）時の様子を示す図である。 本実施形態に係る液晶プロジェクタの冷却構造を示す図である。 本実施形態に係る照明光学装置の絞り装置周辺の温度を示す図である。

符号の説明

１００…液晶プロジェクタ、１０１…光源部、１０２…コリメータレンズ、１０３…光学フィルタ、１０４…第１のマルチレンズアレイ（ＭＬＡ）、１０５…絞り装置、１０６…第２のＭＬＡ、１０７…偏光変換素子、１０８…集光レンズ、１０９…照明光学装置、１１０Ｒ、１１０Ｇ…ダイクロイックミラー、１１１，１１２，１１３…反射ミラー、１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂ…集光レンズ、１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂ…偏光板、１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂ…液晶パネル、１２３Ｒ，１２３Ｇ，１２３Ｂ…偏光板、１２４…ダイクロイックプリズム、１２５…投射光学系、１３０，１３１…リレーレンズ、２００…絞り本体部、２０１…開口部、２０２…取付部、３０１〜３０６…絞り羽根、４０…ガルバノメータ、４０１…第１揺動アーム、５００…第２揺動アーム、長孔５０４〜５０９。

Claims (16)

1. 照明光を出射する光源と、
   上記光源から発せられた照明光を均一化する、上記光源の光軸上に当該光源の光軸中心と自らの中心とを一致させて所定間隔をあけて配置された一対の第１のマルチレンズアレイおよび第２のマルチレンズアレイと、
   上記光軸に対して同心円状に開閉する絞り開口部を備えて上記第１のマルチレンズアレイと上記第２のマルチレンズアレイとの間に配置される可変開口絞り装置と
   を有し、
   上記可変開口絞り装置は、
   上記第１のマルチレンズアレイならびに上記第２のレンズアレイに隣接せず、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各々に対して等距離をもって、かつ、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各中心軸と上記絞り開口部の開口中心とが一致するように配置され、
   上記絞り開口部が全閉状態とされたとき開口率が０％とならない構造を有する
   光学装置。
2. 上記可変開口絞り装置は、上記絞り開口部の開口動作を連接リンク機構により駆動するアクチュエータを有する
   請求項１記載の光学装置。
3. 上記アクチュエータは、ガルバノメータを含み、当該ガルバノメータは上記光源に対して出射面側に配置されている
   請求項２記載の光学装置。
4. 上記可変開口絞り装置は、上記絞り開口部に同一形状の複数の絞り羽根を含み、当該複数の絞り羽根が同期的に開閉される
   請求項１〜３のいずれか一に記載の光学装置。
5. 上記絞り羽根の表面は光沢メッキ仕上げされ、羽根の隣接する羽根との重なり領域に点接触する突起が形成されている
   請求項４記載の光学装置。
6. 上記可変開口絞り装置の少なくとも上記アクチュエータを強制冷却する冷却構造を有する
   請求項２記載の光学装置。
7. 上記可変開口絞り装置の少なくとも上記アクチュエータおよび上記絞り羽根を強制冷却する冷却構造を有する
   請求項６記載の光学装置。
8. 上記アクチュエータは、作動ストローク限界を除くように作動する
   請求項２記載の光学装置。
9. 入力される画像情報に基づいて入射される照明光を変調して出射する光変調手段と、
   上記光源からの照明光を上記光変調手段に入射させる照明光学装置と、
   上記光変調手段から出射される照明光を投射する投射光学系と、を有し、
   上記照明光学装置は、
   照明光を出射する光源と、
   上記光源から発せられた照明光を均一化する、上記光源の光軸上に当該光源の光軸中心と自らの中心とを一致させて所定間隔をあけて配置された一対の第１のマルチレンズアレイおよび第２のマルチレンズアレイと、
   上記光軸に対して同心円状に開閉する絞り開口部を備えて上記第１のマルチレンズアレイと上記第２のマルチレンズアレイとの間に配置される可変開口絞り装置と
   を有し、
   上記可変開口絞り装置は、
   上記第１のマルチレンズアレイならびに上記第２のレンズアレイに隣接せず、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各々に対して等距離をもって、かつ、上記第１のマルチレンズアレイおよび上記第２のマルチレンズアレイの各中心軸と上記絞り開口部の開口中心とが一致するように配置され、
   上記絞り開口部が全閉状態とされたとき開口率が０％とならない構造を有する
   投射型表示装置。
10. 上記可変開口絞り装置は、上記絞り開口部の開口動作を連接リンク機構により駆動するアクチュエータを有する
    請求項９記載の投射型表示装置。
11. 上記アクチュエータは、ガルバノメータを含み、当該ガルバノメータは上記光源に対して出射面側に配置されている
    請求項１０記載の投射型表示装置。
12. 上記可変開口絞り装置は、上記絞り開口部に同一形状の複数の絞り羽根を含み、当該複数の絞り羽根が同期的に開閉される
    請求項９〜１１のいずれか一に記載の投射型表示装置。
13. 上記絞り羽根の表面は光沢メッキ仕上げされ、羽根の隣接する羽根との重なり領域に点接触する突起が形成されている
    請求項１２記載の投射型表示装置。
14. 上記可変開口絞り装置の少なくとも上記アクチュエータを強制冷却する冷却構造を有する
    請求項１０記載の投射型表示装置。
15. 上記可変開口絞り装置の少なくとも上記アクチュエータおよび上記絞り羽根を強制冷却する冷却構造を有する
    請求項１４記載の投射型表示装置。
16. 上記アクチュエータは、作動ストローク限界を除くように作動する
    請求項１０記載の投射型表示装置。

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