JP5002158B2 - 投射型映像表示装置 - 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。

光源からの光をレンズやミラーなどを用いて小型の映像表示素子（光変調素子、ライトバルブとも呼ばれる）に照射し、該映像表示素子にて変調されて形成された映像（光学像）を拡大投射して表示する投射型映像表示装置が知られている。例えば映像表示素子に液晶表示素子（液晶ライトバルブ）を用いて、投射レンズを通してスクリーンに拡大投射する投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）がある。このような投射型映像表示装置では、表示画面のダイナミックレンジ（コントラスト）や色再現性（ホワイトバランス）を改善するため、以下のような技術が提案されている。

特許文献１では、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整する調光手段を備え、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照明手段から射出される光の光量を調節可能とした照明装置が開示される。これにより、光源の光出力強度が一定のままでも被照明領域において映像に応じた明るさの光を得ることができ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与すると述べられている。

特許文献２では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各単色光をそれぞれ光変調する３枚の液晶パネルの入射側にそれぞれ偏光板を具備し、各偏光板の前方に偏光フィルタを配置した構成の液晶プロジェクタが開示される。そして、偏光フィルタの回転角の変更により各液晶パネルへの入射光量を調整することにより、映像信号を調整することなしにホワイトバランス調整を行うことができると述べられている。

また特許文献３では、液晶パネルの視野角特性に応じて、液晶パネルに入射される光束の一部を減衰させる減衰板を設けた構成の液晶プロジェクタ装置が開示される。そして減衰板は照明光学系の青色光の光路に配置され、また、減衰板は液晶パネルに入射される光束の一部を遮光する遮光板とされている。これにより、液晶パネルの視野角特性（波長依存性により青色光のコントラスト比率が悪い）に応じて、スクリーンに投射されるカラー画像全体のコントラストを向上できることが述べられている。

国際公開第０３／０３２０８０号パンフレット 特開平６−１６７７１７号公報 特開２００１−２２２００２号公報

投射型映像表示装置において、ダイナミックレンジ（コントラスト）と色再現性（ホワイトバランス）の両方を改善しようとする場合、上記各特許文献に記載の技術を組み合わせることになる。その際、上記調光手段や偏光フィルタなどの新たな部品を個々に組み込む必要があり、装置が大型化し、コストの上昇を招くことになる。

また一般のプロジェクタで使用するＲ，Ｇ，Ｂ光の光量を比較すると、Ｂ光の光量が最も少ない。上記特許文献３では、減衰板を照明光学系のＢ光の光路に配置している。よって、元々光量の少ないＢ光をさらに減衰させることになり、その結果ホワイトバランスを劣化させる恐れがある。

本発明は上記を鑑みなされたものであり、ダイナミックレンジが広くかつ色再現性に優れた、小型で安価な投射型映像表示装置を提供することにある。

本発明は、光源と、光源から出射された光束を赤色、緑色、青色の３色光に分離し集光する照明手段と、集光された各光束を光変調する映像表示素子と、光変調された各光束から映像を合成する光合成手段と、合成された映像を拡大投射する投射手段とを備えた投射型映像表示装置であって、照明手段には、分離した各光束のうち緑色光の光束の一部を遮光する遮光手段を設ける構成とする。

ここで照明手段には、分離した各光束の中で他より光路長が大きい緑色光の光路に結像位置を補正するリレーレンズ系を設け、リレーレンズ系の内部に遮光手段を配置する。

また遮光手段は、入射する光束の中心部を通過し周辺部を遮光するものであって、通過する開口部の形状を、光束の光軸に関し対称な形状とする。あるいは、遮光手段の開口部の面積を可変とし、入力映像信号に応じて調節する構成とする。

本発明によれば、ダイナミックレンジが広くかつ色再現性に優れた、小型で安価な投射型映像表示装置を提供できる。

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、符号の添字Ｒ、Ｇ、Ｂは、それぞれ赤色、緑色、青色の光路の要素を意味する。

図１は、本発明による投射型映像表示装置の一実施例を示す構成図である。光源１から出射される光は、ダイクロイックミラー（色分離手段）１１，１２にて３色光（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に分離され、液晶表示素子からなる３枚のライトバルブ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを透過し、合成されたあと、投射レンズ２０にてスクリーン５０へ拡大投射される。各光路の光軸を破線１００で示す。また、光源１から出射された光が液晶表示素子を照射するまでの光学系を照明手段と呼ぶ。

光源１は、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。反射鏡２は、例えば放物面の反射面と、円形ないし多角形の出射開口部を持つ。光源１から出射される光は、反射鏡２で反射されて光軸に平行となる。第１のアレイレンズ３は複数のレンズセルをマトリックス状に配設したもので、反射鏡２から入射した光を複数の光に分割して、第２のアレイレンズ４と偏光変換素子５へ効率良く導く。偏光変換素子５は、第２のアレイレンズ４からの光を所定の偏光方向に揃える。偏光された光は集光レンズ６にて集光され、反射ミラー７にて反射されたあと、ダイクロイックミラー１１，１２にて、Ｒ光（赤色光）、Ｂ光（青色光）およびＧ光（緑色光）に色分離される。

Ｒ光はダイクロイックミラー１１で反射し、さらに反射ミラー１０で反射して、コンデンサレンズ１３Ｒを通してＲ光用のライトバルブ１４Ｒに入射する。ここでライトバルブ１４Ｒに入射するＲ光をＬＲとする。またダイクロイックミラー１１で透過されたＢ光とＧ光の内、Ｂ光はダイクロイックミラー１２で反射し、コンデンサレンズ１３Ｂを通してＢ光用ライトバルブ１４Ｂに入射する。ここでライトバルブ１４Ｂに入射するＢ光をＬＢとする。

一方Ｇ光はダイクロイックミラー１２を透過し、反射ミラー８，９で反射し、また後述するリレーレンズ系１５，１６，１７を通過して、Ｇ光用のライトバルブ１４Ｇ上に入射する。各色光がライトバルブに入射するまでの光路長は、Ｇ光は他のＲ，Ｂ光よりも大きい構成としている。ここで、ライトバルブ１４Ｇに入射するＧ光をＬＧとする。

上記の光学系（照明手段）により、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１３Ｒ，１３Ｂ、リレーレンズ系１５，１６，１７によりライトバルブ１４Ｒ，１４Ｂ，１４Ｇ内の映像表示素子１８Ｒ，１８Ｂ，１８Ｇ上に重ね合わせられる。つまり、第１のアレイレンズ３と映像表示素子１８とは、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように配置されている。

また、第２のアレイレンズ４と集光レンズ６は、第１のアレイレンズ３で複数に分割された光束を、均一性の高い照度分布にて各ライトバルブ１４内の映像表示素子１８に照射させる。このように、第１のアレイレンズ３から映像表示素子１８までの間の照明手段により、均一な照度分布を得ることができる。

ここでＧ光の光路についてさらに説明する。Ｇ光はダイクロイックミラー１２を透過し、反射ミラー８で反射され、遮光手段３０を通過し、ライトバルブ１４Ｇと光学的に共役な位置に一度結像する。遮光手段３０は、後述するようにダイナミックレンジと色再現性を向上するものである。さらに、第１のリレーレンズ１５、反射ミラー８、第２のリレーレンズ１６、反射ミラー９、第３のリレーレンズ１７の作用によって、Ｇ光用のライトバルブ１４Ｇ上に再度結像される。ここに、第１のリレーレンズ１５から第３のリレーレンズ１７までの間の光学系をリレーレンズ系と呼ぶ。このように、リレーレンズ系を設けることで、Ｇ光の光路長が他のＲ，Ｂ光の光路長より大きい場合でも、正常な位置に結像するよう補正することができる。

各ライトバルブ１４内の各映像表示素子１８では、図示しない映像信号に応じて光変調されて光学像が形成される。これらの映像表示素子１８を透過したＲ光，Ｂ光，Ｇ光は、光合成プリズム（光合成手段）１９によってカラー映像として合成される。その後、例えばズームレンズのような投射レンズ（投射手段）２０を通過し、スクリーン５０に拡大投射される。

図２は、図１におけるダイクロイックミラー１２以降のＧ光の光学系を示す構成図である。このうち、第１のリレーレンズ１５、遮光手段３０、第３のリレーレンズ１７については、それらの正面図（光軸方向から見た図）を符号１５０、３００、１７０で示す。

ダイクロイックミラー１２を透過したＧ光（ＬＧ）は、まず第１のリレーレンズ１５の近傍で第１のアレイレンズ３の共役像１５１を結像集光し、反射ミラー８で反射された後、遮光手段３０に入射する。遮光手段３０はリレーレンズ１６近傍に配置され、入射光ＬＧの一部を遮光する。遮光手段３０を通過した出射光ＬＧは、第２のリレーレンズ１６近傍で第２のアレイレンズ４の共役像（２次光源像）３０１を結像集光する。さらに反射ミラー９で反射された後、第３のリレーレンズ１７によって略平行光とされた状態で、Ｇ光用のライトバルブ１４Ｇ上に再び第１のアレイレンズ３の共役像１７１を結像集光する。

ここで遮光手段３０は、遮光部３１（斜線部）により入射光ＬＧの一部（周辺部）を遮光するが、リレーレンズ１６の近傍では第２のアレイレンズ４の共役像（２次光源像）３０１が結像集光されているため、ライトバルブ１４Ｇにおける照度分布に影響を与えない。遮光手段３０から出射された光束は、重畳レンズとしてその後段に設けられた第２のリレーレンズ１６によって重畳されることにより、元々の光源からの出射光が持っている照度分布を均一化することができる。またこの時、リレーレンズ系の光束を絞るため、光路のＦ値（光学絞り）を他の光路のＦ値より大きな値とする。

次に、上記遮光手段３０による効果（ダイナミックレンジ、色再現性）を説明する。

図３は、遮光手段３０の開口部の面積とコントラスト性能の関係を示す図である。図のように、開口面積を小さく絞ることにより、コントラスト性能が改善される。これは、液晶表示素子等のような映像表示素子の持つコントラストの入射角依存性に基づくものである。すなわち、入射角（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化する性質がある。このため、遮光手段３０の開口部の面積を絞ることで、コントラスト性能を悪化させる周辺部の高入射角成分の光を遮光し、コントラスト性能を向上させることができる。

また本実施例では、Ｇ光の光路にのみ遮光手段３０を設けている。それは、通常の投射型映像表示装置における３原色の光量の比率は、Ｇ光が支配的だからである。すなわち、光源として通常高圧水銀ランプが用いられているが、高圧水銀ランプのスペクトルにはＧ光成分が多く含まれている（約７割を占める）。よって、１個の遮光手段によりＧ光のライトバルブ１４Ｇのコントラスト性能を向上させるだけで、投射型映像表示装置全体のコントラスト性能を効率良く向上させることができる。

また、本実施例では、遮光手段を光束の絞られたリレーレンズ系光路に設けたので、他の光路、例えばレンズアレイ近傍に遮光手段を設ける場合と比較し、部品の小型化が可能となる。

以上より、所望のコントラスト性能に対応した開口部の面積を有する遮光手段を効率良く用いることで、所望のダイナミックレンジを有する小型で安価な投射型映像表示装置を実現することができる。

次に図４は、遮光手段３０の開口部の面積と色温度の関係を示す図である。図のように開口面積を小さく絞り、出射光ＬＧの光量を減少させることで、色合成プリズム１９によりＲＧＢ各光を合成した光の色温度を高くすることができる。これは、投射型映像表示装置における３原色のうち、最も光量が大きいＧ光を減少させて、ホワイトバランスを改善させ、色再現性の向上を可能とするものである。

つまり、所望の色温度に対応した開口部の面積を有する遮光手段３０を用いることで、所望の色再現性を有する投射型映像表示装置を得ることができる。

このように本実施例では、光源から出射される３原色光のうち最も光量が大きいＧ光の光路に遮光手段を設けたことで、ダイナミックレンジが広くかつ色再現性に優れた、小型で安価な投射型映像表示装置を提供できる。

また、本実施例では、遮光手段３０は外部から容易に交換可能な構成である。そして、遮光手段としてその開口部の面積が異なる複数の遮光手段を用意し、これらの遮光手段から最適の開口部の面積をもつ遮光手段を選択して取り付けることで、コントラスト性能や色温度のバラツキの少ない投射型映像表示装置を量産することができる。また、ライトバルブ１４Ｇに要求されるコントラスト性能に余裕が生じ、投射型映像表示装置の設計の自由度が増すことになる。

次に、上記遮光手段３０の具体的形状の例を説明する。

図５は、遮光手段３０の一例を示す斜視図である。斜線を施した部分は入射光を遮光する遮光部３１、その内部は入射光を通過する開口部３２、破線は光軸１００を示す。図５（ａ）は、開口部３２を楕円形とした場合、（ｂ）は矩形とした場合である。いずれも、光軸１００を中心として、左右方向（ｘ軸）及び上下方向（ｙ軸）に対称な形状としている。開口部を対称形状とすることにより、照度分布の偏りをなくすことができる。

遮光手段３０に隣接するリレーレンズ１６の近傍では、第２のアレイレンズ４の共役像（２次光源像）３０１が結像集光している。遮光手段３０を用いて光束を遮光する場合、照度分布の均一化が損なわれないよう考慮しなければならない。例えば光束に対して片側のみから遮光すると、被照明領域の照度分布が偏りを持つようになる。本実施例のように、光束の中心を通る軸１００に対して上下左右対称に遮光を行うと、被照明領域における照度分布も被照明領域の中心を通る軸に対して上下左右対称となる。よって、投射された映像の画質品位を向上させることができる。さらに、各レンズの中心（光軸１００）に対して同心円状に遮光を行うと、元々の光源の持つ照度分布により合致した遮光の形態となり、照度分布をさらに均一化することができる。

この構成の遮光手段を用いた投射型映像表示装置によれば、ダイナミックレンジと色再現性に優れるだけでなく、輝度ムラのない均一な投射映像を提供することができる。

図６は、遮光手段３０の他の例を示す斜視図である。ここでは遮光部３１を遮蔽羽根３３にて構成し、開口部３２の面積を可変としたものである。この場合の開口部３２の形状は、光軸１００に関して対称な略円形状としている。モータ等の駆動装置によって遮蔽羽根３３を移動させ、開口部３２の面積を調節する。例えば投射映像のダイナミックレンジおよび色再現性を高める場合は、遮蔽羽根３３を矢印の方向に移動し開口部面積を小さくする。逆に、投射映像の輝度を高める場合は、遮蔽羽根３３を開放し、開口部面積を大きくする。

この構成の遮光手段を用いた投射型映像表示装置によれば、入力映像信号に応じて、投射映像の輝度、ダイナミックレンジ、色再現性を最適に調整可能となり、より高品質な投射映像を提供することができる。

上記述べた実施例では、分離した緑色光に対して遮光する遮光手段について述べたが、遮光手段は入射光量の比率が最も大きい色の光束に対して設ければ良く、それにより同様の効果が得られる。また、映像表示素子は、液晶表示素子を例に述べたがこれに限定されず、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）なども適用できる。また遮光手段の開口部の形状は一例であり、光軸に関し対称となる形状であればいずれも有効である。

本発明による投射型映像表示装置の一実施例を示す構成図。 図１における緑色光（Ｇ光）の光学系を示す構成図。 遮光手段３０の開口部の面積とコントラスト性能の関係を示す図。 遮光手段３０の開口部の面積と色温度の関係を示す図。 遮光手段３０の一例を示す斜視図。 遮光手段３０の他の例を示す斜視図。

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、７，８，９，１０…反射ミラー、１１，１２…ダイクロイックミラー（色分離手段）、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、１９…光合成プリズム、５０…スクリーン、２０…投射レンズ、３０…遮光手段、３１…遮光部、３２…開口部、３３…遮蔽羽根、１００…光軸。

Claims (3)

1. 光源と、該光源から出射された光束を赤色、緑色、青色の３色光に分離し集光する照明手段と、該集光された各光束を光変調する映像表示素子と、該光変調された各光束から映像を合成する光合成手段と、該合成された映像を拡大投射する投射手段とを備えた投射型映像表示装置において、
   上記照明手段には、分離した各光束の中で他より光路長が大きい緑色光の光路に結像位置を補正するリレーレンズ系を設け、該リレーレンズ系の内部に緑色光のみの光束の一部を遮光する遮光手段を配置し、
   該遮光手段は、入射する光束の中心部を通過し周辺部を遮光するものであって、通過する開口部の形状を上記光束の光軸に関し対称な楕円形状とし、
   該遮光手段の開口部の面積を可変とし、入力映像信号に応じて調節す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において、
   前記リレーレンズ系の光路のＦ値を他の光路のＦ値よりも大きな値としたことを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   前記光源から出射する光の成分の中で、緑色の光量の比率が最も大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。

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