JP4904741B2 - 投射型映像表示装置および遮光方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

ＷＯ２００３−０３２０８０号公報 特開２００５−１７５００号公報 特開２００５−３１１０３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

上記目的を達成するためには、例えば特許請求の範囲に記載されるように構成すればよい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

光源側アレイレンズの構成例である。 遮光したセルの重畳の一例を示した図である。 遮光したセルの重畳の他の例を示した図である。 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。 光源から射出される射出光の分布を示す図である。 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。 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。 光学系の一例を示す構成図である。 遮光ユニットの配置の例を示した図である。 アレイレンズの遮光板の移動方法の例を示す図である。 アレイレンズの遮光領域の他の例を示す図である。 アレイレンズの構成例を示した図である。

符号の説明

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、２２…入射偏光板、２３…光学補償素子、２４…光学補償素子、２５…出射偏光板、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

Claims (24)

1. 光源と、
   前記光源からの光が透過する第１の複数のレンズセルを含む第１のアレイレンズと、
   前記第１の複数のレンズセルからの光が透過する第２の複数のレンズセルを含む第２のアレイレンズと、
   前記第２の複数のレンズセルを透過した光束を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズが集光した光を変調するライトバルブと、
   前記ライトバルブが変調した光を投射する投射レンズと、
   前記光源から前記ライトバルブまでの光学系に配置され、複数の遮光板を有する遮光ユニットとを備え、
   前記第１の複数のレンズセルは、２方向に配列された複数のレンズセルを含み、前記光源から前記ライトバルブまでの光学系の光軸に接する１つまたは複数のレンズセルと、前記光軸に接する１つまたは複数のレンズセルに対して前記２方向のうちの１方向に隣接する複数の隣接レンズセルとを含み、
   前記光源から射出される光の分布は、前記第１の複数のレンズセルに含まれるレンズセルのうち、前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルが、前記複数の隣接レンズセルに含まれる状態とする分布であり、
   前記遮光ユニットは、前記複数の遮光板を前記光軸に近づける方向に回動または移動することにより遮光量を増やすことが可能に構成されているものであり、
   前記遮光ユニットによる遮光状態には、前記複数の遮光板により形成する遮光領域の遮光面積について、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積を、前記光軸に接する１つまたは複数のレンズセルのいずれのレンズセルの遮光面積よりも小さくする遮光状態が含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記複数の遮光板により形成する遮光領域の遮光面積について、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積が、前記第１の複数のレンズセルのうち前記複数の隣接レンズセル以外のいずれのレンズセルの遮光面積よりも小さいことを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記光源から射出し前記ライトバルブに到達する光の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。
   。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記複数の遮光板を回動または移動するための駆動部を備え、
   前記駆動部は、前記投射型映像表示装置に入力された映像信号に応じて制御されることを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記２方向に配列された複数のレンズセルは、該２方向にそれぞれ偶数個のレンズセルが配置されており、
   前記光軸に接する複数のレンズセルは光軸に接する４つのレンズセルであり、
   前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルは、前記光軸に接する４つのレンズセルに前記２方向のうちの１方向に隣接する４つのレンズセルに含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記２方向に配列された複数のレンズセルは、該２方向の１方向に偶数個のレンズセルが配置され、他の１方向に奇数個のレンズセルが配置されており、
   前記光軸に接する複数のレンズセルは光軸に接する２つのレンズセルであり、
   前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルは、前記光軸に接する２つのレンズセルに前記２方向のうちの１方向に隣接する２つまたは４つのレンズセルに含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
7. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記２方向に配列された複数のレンズセルは、該２方向にそれぞれ奇数個のレンズセルが配置されており、
   光軸に接するレンズセルは１つのレンズセルであり、
   前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルは該光軸に接する１つのレンズセルに前記２方向のうちの１方向に隣接する２つのレンズセルに含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
8. 光源と、
   前記光源からの光が透過する２つのアレイレンズと、
   前記２つのアレイレインズを透過した光束が透過するレンズ群と、
   前記レンズ群を透過した光を変調するライトバルブと、
   前記ライトバルブが変調した光を投射する投射レンズと、
   前記光源から前記ライトバルブまでの光学系に配置され複数の遮光板を有する遮光ユニットとを備え、
   前記２つのアレイレンズの少なくとも一方のアレイレンズは、前記光源から前記ライトバルブまでの光学系の光軸に接する１つまたは複数のレンズセルと、該光軸に接する１つまたは複数のレンズセルに隣接する複数の隣接レンズセルとを含む２方向に配列された複数のレンズセルを含み、
   前記光源から射出される光の分布は、前記２方向に配列された複数のレンズセルに含まれるレンズセルのうち、前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルが、前記複数の隣接レンズセルに含まれる状態とする分布であり、
   前記遮光ユニットは、前記複数の遮光板を前記光軸に近づける方向に回動または移動することにより遮光量を増やすことが可能に構成されているものであり、
   前記遮光ユニットによる遮光状態には、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積を、前記光軸に接する１つまたは複数のレンズセルのそれぞれの遮光面積よりも小さくする遮光状態が含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
9. 請求項８に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積が、前記２方向に配列された複数のレンズセルのうちの前記複数の隣接レンズセル以外のいずれのレンズセルの遮光面積よりも小さいことを特徴とする投射型映像表示装置。
10. 請求項８または請求項９のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記光源から射出し前記ライトバルブに到達する光の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。
11. 請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記投射型映像表示装置に入力された映像信号に応じて、前記遮光ユニットによる遮光量を調整する制御を行うことを特徴とする投射型映像表示装置。
12. 請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記複数の遮光板を回動または移動するための駆動部を備え、
    前記駆動部は、前記投射型映像表示装置に入力された映像信号に応じて制御されることを特徴とする投射型映像表示装置。
13. 請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記２方向に配列された複数のレンズセルは、該２方向にそれぞれ偶数個のレンズセルが配置されており、
    前記光軸に接する複数のレンズセルは光軸に接する４つのレンズセルであり、
    前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルは前記光軸に接する４つのレンズセルに前記２方向のうちの１方向に隣接する４つのレンズセルに含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
14. 請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記２方向に配列された複数のレンズセルは、該２方向の１方向に偶数個のレンズセルが配置され、他の１方向に奇数個のレンズセルが配置されており、
    前記光軸に接する複数のレンズセルは光軸に接する２つのレンズセルであり、
    前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルは前記光軸に接する２つのレンズセルに前記２方向のうちの１方向に隣接する２つまたは４つのレンズセルに含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
15. 請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記２方向に配列された複数のレンズセルは、該２方向にそれぞれ奇数個のレンズセルが配置されており、
    前記光軸に接するレンズセルは１つのレンズセルであり、
    前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルは該光軸に接する１つのレンズセルに前記２方向のうちの１方向に隣接する２つのレンズセルに含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
16. 光源と、
    前記光源からの光が透過する第１の複数のレンズセルを含む第１のアレイレンズと、
    前記第１の複数のレンズセルからの光が透過する第２の複数のレンズセルを含む第２のアレイレンズと、
    前記第２のアレイレンズを透過した光束を透過するレンズ群と、
    前記レンズ群を透過した光を変調するライトバルブと、
    前記ライトバルブが変調した光を投射する投射レンズと、
    前記第１の複数のレンズセルまたは第２の複数のレンズセルに対して入射または出射する光を遮光する、複数の遮光板を有する遮光ユニットとを備え、
    前記第１の複数のレンズセルまたは第２の複数のレンズセルは、偶数個または奇数個のレンズセルが互いに直交する２方向に配置された複数のレンズセルを含み、
    前記偶数個または奇数個のレンズセルが互いに直交する２方向に配置された複数のレンズセルには、中心に配置される１つまたは複数の中心レンズセルと、該中心レンズセルに隣接する複数の隣接レンズセルとが含まれ、
    前記光源から射出される光の分布は、前記偶数個または奇数個のレンズセルが互いに直交する２方向に配置された複数のレンズセルに含まれるレンズセルのうち、前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルが、前記複数の隣接レンズセルに含まれる状態とする分布であり、
    前記遮光ユニットは、前記複数の遮光板を前記光軸に近づける方向に回動または移動することにより遮光量を増やすことが可能に構成されているものであり、
    前記遮光ユニットによる遮光状態には、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積を、前記中心レンズセルの遮光面積よりも小さくする遮光状態が含まれることを特徴とする投射型映像表示装置。
17. 請求項１６に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積が、前記偶数個または奇数個のレンズセルが互いに直交する２方向に配置された複数のレンズセルのうちの前記複数の隣接レンズセル以外のいずれのレンズセルの遮光面積よりも小さいことを特徴とする投射型映像表示装置。
18. 請求項１６または請求項１７のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記光源から射出し前記ライトバルブに到達する光の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。
19. 請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記投射型映像表示装置に入力された映像信号に応じて、前記遮光ユニットによる遮光量を調整する制御を行うことを特徴とする投射型映像表示装置。
20. 請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載の投射型映像表示装置であって、
    前記複数の遮光板を回動または移動するための駆動部を備え、
    前記駆動部は、前記投射型映像表示装置に入力された映像信号に応じて制御されることを特徴とする投射型映像表示装置。
21. 光源からの光について、２つのアレイレンズを透過させ、ライトバルブで変調し、投射レンズから射出する投射型映像表示装置における遮光ユニットによる光の遮光方法であって、
    前記２つのアレイレンズの少なくとも一方のアレイレンズは、前記光源から前記ライトバルブまでの光学系の光軸に接する１つまたは複数のレンズセルと、該光軸に接する１つまたは複数のレンズセルに隣接する複数の隣接レンズセルとを含む２方向に配列された複数のレンズセルを含み、
    前記光源から射出される光の分布は、前記２方向に配列された複数のレンズセルに含まれるレンズセルのうち、前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルが、前記複数の隣接レンズセルに含まれる状態とする分布であり、
    前記遮光ユニットが、複数の遮光板を回動または移動して、前記２方向に配列された複数のレンズセルに対し入射または出射する光を遮光し、
    前記遮光ユニットによる遮光は、前記複数の遮光板を前記光軸に近づける方向に回動または移動する場合には遮光量が増えるものであり、
    前記遮光ユニットによる遮光状態には、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積を、前記光軸に接する１つまたは複数のレンズセルのいずれのレンズセルの遮光面積よりも小さくする遮光状態が含まれることを特徴とする遮光方法。
22. 請求項２１に記載の遮光方法であって、
    前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記複数の隣接レンズセルに含まれる前記ライトバルブでの光の照度に対して最も高く寄与するレンズセルの遮光面積が、前記２方向に配列された複数のレンズセルのうちの前記複数の隣接レンズセル以外のいずれのレンズセルの遮光面積よりも小さいことを特徴とする遮光方法。
23. 請求項２１または請求項２２のいずれか一項に記載の遮光方法であって、
    前記遮光ユニットによる前記遮光状態において、前記光源から射出し前記ライトバルブに到達する光の８０％以上を遮光することを特徴とする遮光方法。
24. 請求項２１から請求項２３のいずれか一項に記載の遮光方法であって、
    前記投射型映像表示装置に入力された映像信号に応じて前記複数の遮光板の回動または移動を制御することを特徴とする遮光方法。

Images