JP2004258439A

JP2004258439A - 投射型表示装置

Info

Publication number: JP2004258439A
Application number: JP2003050473A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kawase; 真也川瀬
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】ＤＭＤからなる光変調素子を用いた投射型表示装置において、投射光学系に入射する不要光を簡単な構成の遮光板で遮光して、高コントラストの投影画像を得る。
【解決手段】光源１からの光は、照明光学系ＩＬからＴＩＲプリズムＰＲの第１プリズムＰＲ１を介し、ＤＭＤ６に照射される。ＤＭＤ６のマイクロミラーＭにおいて、ＯＮ状態のマイクロミラーＭでは照明光が投影光学系ＰＬ内に向けて反射され（ＯＮ光）、ＯＦＦ状態では投影光学系ＰＬ外に向けて反射され（ＯＦＦ光）、ＯＮ光のみが投影光学系ＰＬによってスクリーン上に投影され、表示画像が形成される。照明光学系ＩＬの光束の一部を遮光する遮光板７が、照明光学系ＩＬの光路内に挿抜制御されるので、ＯＮ光以外の照明光が投影光学系ＰＬ内に入射することがなく、表示画像のコントラストが向上する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射型表示装置に関し、特に反射型光変調素子を用い、簡単な構成の遮光板によって投射映像のコントラストを向上させることができる投射型表示置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マルチメディア時代の到来により、あらゆる場面で画像表示装置が用いられている。特に、投射型画像表示装置は、大画面化が容易なため、プレゼンテーション用途だけでなくシアター用途等にもフロントプロジェクタが普及してきている。
【０００３】
これら投射型画像表示装置の光変調素子として、従来はＣＲＴが多く利用されてきたが、近年においては、高輝度、高精細化の要求と共に、これら要求性能に適する光変調素子として、液晶パネルやミラーの角度を変化させることにより光量変調を行うＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス、例えば、特許文献１参照）の利用が主流となりつつある。これらの液晶パネルやＤＭＤを利用した投射型画像表示装置は、光源からの光で光変調素子としての液晶パネルやＤＭＤを照明し、液晶パネルやＤＭＤで画像信号により変調された透過光あるいは反射光を、投影光学系を通してスクリーン上に画像形成するものである。
【０００４】
ところで、投射型画像表示装置は、高画質表示（質感が求められている表示）において、現状では直視型ＣＲＴ画像表示装置の画質に達していない。ここでいう高画質（質感）とは、高ダイナミックレンジ（高コントラスト、高階調表示）を指す。直視型ＣＲＴ画像表示装置は、画面全体を白黒表示する場合等で少なくとも１００００：１以上のダイナミックレンジを実現している。一方、投射型画像表示装置としてのダイナミックレンジは主に光変調素子の特性で決定され、近年向上されてきたとはいえ、液晶パネルの場合でもＤＭＤの場合でも、約４００〜１０００：１程度である。このダイナミックレンジの低さは、黒表示において、透過型液晶パネルの場合には漏れ光が、反射型液晶パネルやＤＭＤの場合には散乱光や不要光が投射されて黒レベルが浮いてしまうことに一因がある。
【０００５】
パネルサイズを縮小して、全体のシステムの大きさを縮小しようとすると、Ｅｔｅｎｄｕｅ（面積と角度の積）の考えから、表示パネルへの入射角度が大きくなり、系のコントラストを大きく劣化させることが知られている（例えば、非特許文献１等参照）。特許文献２に開示された投射型表示装置は、そのコントラストの確保のために、投射角度の大きい成分の光を捨てて、明るさを落とすシステム設計が行われていることに着目し、パネルサイズが小さく、システムのサイズも小さい投射型表示装置において、環境の明るさに対応でき、所要の明るさとコントラストを維持できて、高品質な映像が実現できる投射型表示装置を提供するために、明るいバックグランドに対応して、表示パネルでの所要の明るさを確保するためのシステム輝度になる光源、あるいは、該光源およびリフレクタから所要の光路を経て前記表示パネルへ供給される投射光束の角度範囲を可変に制御することで、その明るさの減少と共に表示パネルでのコントラスト値を大きく上昇するようにしている。
【０００６】
また、特許文献３に開示される散乱型液晶パネルを用いた投射型画像表示装置では、投影光学系の絞りにおいて大きい開口径と小さい開口径を用意し、それらを入力の画像種類に応じて切り替えることによって、例えば映像を表示する場合には前記絞りの開口径を小さくし、コントラストを高めた表示画質を得ることができ、またＰＣ画像を表示する場合には、前記絞りの開口径を大きくし、輝度（明るさ）を高めた表示画質を得ることを可能としている。
【０００７】
さらに、インテグレータ光源像にマッチした簾状可動絞り手段を絞って投影光量を小さくすると、光変調素子からの不要な漏れ光あるいは散乱光の投影光学系からの投射が抑制され、締まった黒表示となる。そこで、特許文献４に開示される投射型画像表示装置では、入力画像信号の最大輝度レベルに応じて投影光量を制御することによって、最大輝度表示と締まった黒表示の対比により均一な明るさ分布を維持したうえでの表示ダイナミックレンジを拡大することができる。また、投影光量の制御に応じて光変調素子の書き込み信号を変調することによって、表示輝度レベルを補償しながら表示ダイナミックレンジの拡大を行うことを可能としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−７８５５０号公報
【特許文献２】
特開２００１−１７４９１２号公報
【特許文献３】
特開平７−８４５５３号公報
【特許文献４】
特開２００２−２１４６９７号公報
【非特許文献１】
Ｙ．ＩｔｏｅｔａｌＳＩＤ９７ＤｉＧＥＳＴｐ９９３，Ｊ．ＩｗａｉＩＤＷ９８ｐ７２１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に示される投写型表示装置では、主に液晶パネル等にみられる大きい入射角度成分のコントラスト劣化に対しては有効であるが、得られたダイナミックレンジに対しての輝度劣化が大きいという問題があり、特許文献３に示される投射型画像表示装置では、開口径を小さくすることにより、投影画像の明るさ分布が変化する（通常は周辺部が相対的に暗くなる）という問題がある。
【００１０】
また、特許文献２、特許文献３に示される表示装置では、ともに円形もしくは光束全周に絞りを配置する必要があるため、絞り取付けの位置ずれに対してシビアであり、また可変させるためには複雑な機構が必要となるという問題もある。
【００１１】
また、特許文献４に示される投射型表示装置では、投影画像の明るさ分布の変化は軽減されてはいるが、輝度を落とすことにより黒側の絶対値を減少させており、ダイナミックレンジを維持しているだけで、拡大効果はなかった。また、複数の簾状の絞りを使用しているため、複雑な構造になってしまうという問題もある。
【００１２】
本発明は、投射光学系に入射する不要光を遮光するために最適化した形状で単一部品の遮光板を照明光学系に挿抜させることにより、高いダイナミックレンジを得た時の輝度低下を最低限に抑えることができ、また遮光板が単一部品で構成されていて、光束全周を遮光する必要がなく、複雑な構造を必要としない投射型表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の技術手段は、反射型光変調器を有する投射型表示装置において、前記反射型光変調器に対する照明光学系に、該照明光学系の光束の片側断面の一部を遮光して不要光を遮光する遮光板を前記照明光学系の光路内に挿抜可能に設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段の投射型表示装置において、前記遮光板挿入時の遮光板通過後の光束は、遮光板通過前の光束半径をｒとし光束中心から光束外周へ向かう方向へ距離ｔの点を点Ｒとした時に、光束中心と点Ｒとを結ぶ線分と光束中心を通る直交線が光束外周と交わる２点Ｐ，Ｑ、及び前記点Ｒとの３点を通過する円と、遮光板通過前の光束との重合部分の光束となることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３の技術手段は、第１または２の技術手段の投射型表示装置において、前記遮光板は、前記距離ｔと前記光束半径ｒとの比が０．４６以下である形状を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第４の技術手段は、第１乃至３の技術手段の投射型表示装置において、前記照明光学系の光束に対する前記遮光板の挿入方向は、前記反射型光変調器の前記照明光学系の光束が入射する側に配置された反射型光変調素子に対する主光線を遮光する方向であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第５の技術手段は、第１乃至４の技術手段の投射型表示装置において、前記遮光板は、前記照明光学系の瞳位置近傍に設けられることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第６の技術手段は、第１乃至４の技術手段の投射型表示装置において、前記遮光板は、前記照明光学系のレンズ出口近傍に設けられることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第７の技術手段は、第１乃至６の技術手段の投射型表示装置において、前記遮光板は、投射映像を表示するスクリーンの明るさが明るい場合に、前記照明光学系の光路内に挿入されることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の第８の技術手段は、第１乃至７の技術手段の投射型表示装置において、投射映像を表示するスクリーンの明るさを検出する明るさ検出手段を有し、該明るさ検出手段の明るさ検出値に基づいて前記遮光板を前記照明光学系の光路内に挿抜制御することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の第９の技術手段は、第１乃至８の技術手段の投射型表示装置において、前記遮光板は単一の部品で形成されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図７に示す実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施例による投射型画像表示装置の光学構成図である。図１においては、ＯＮ光とＯＦＦ光の主光線の光路をそれぞれ示している。
図１において、ランプとリフレクタからなる光源１からの光は、透過色または反射色の異なる複数（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のカラーフィルタで構成され、投影する色光が時間的に順次切り替わるように光路中で回転させているカラーホイール２を通り、照明光学系ＩＬからＴＩＲプリズム（全反射プリズム）ＰＲの第１プリズムＰＲ１を介し、光変調素子（以下、ＤＭＤという）６に照射される。
【００２３】
なお、照明光学系ＩＬは、ＤＭＤ６の表示面上での軸上と軸外との照度差をなくす平滑化機能を有するインテグレータロッド３と、複数枚のレンズ４−１，４−２，４−３を含むレンズ群４と、折り返しミラー５とから構成されている。
【００２４】
また、ＴＩＲプリズムＰＲは、第１プリズムＰＲ１と第２プリズムＰＲ２とからなり、このＴＩＲプリズムＰＲによって、ＤＭＤ６に対する入力光とＤＭＤ６からの出力光との分離が行われる。第１プリズムＰＲ１は、照明光学系ＩＬから射出し第１プリズムＰＲ１に入射した光を全反射させＤＭＤ６の表面を照明し、その照明光が画像信号に基づく制御によるＤＭＤ６の反射により光変調され出力され、第２プリズムＰＲ２は、ＤＭＤ６での光変調後に第１プリズムＰＲ１を透過した光を透過させる。
【００２５】
このようにして、ＤＭＤ６による光変調後にＴＩＲプリズムＰＲを透過した光は、複数のレンズ群から成る投影光学系ＰＬによって、スクリーン面（不図示）上に投影される。ただし、投影光学系ＰＬに入射して投影されるのは、後述するＤＭＤ６のＯＮ状態にあるマイクロミラーＭで反射された光のみである。
【００２６】
ＤＭＤ６による光変調を更に詳しく説明する。
図２は、ＤＭＤのマイクロミラーがＯＮ状態のときの光路を示す光学構成図、図３は、ＤＭＤのマイクロミラーがＯＦＦ状態のときの光路を示す光学構成図である。
ＤＭＤ６は多数のマイクロミラーＭがマトリックス状に配置された表示面を有しており、そのマイクロミラーＭ１枚で表示画像の１画素（例えば１６μｍピッチ）を構成する。光変調のために各マイクロミラーＭの傾きは、個別に駆動制御される構成（例えば、ミラー回転角＝±１０°の傾斜）になっており、各マイクロミラーＭは、ＯＮ状態とＯＦＦ状態との２つの傾き状態をとり得るようになっている。
【００２７】
ＯＮ状態のマイクロミラーＭでは照明光が投影光学系ＰＬ内に向けて反射され（以下、ＯＮ光という）、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭでは照明光が投影光学系ＰＬ外に向けて反射される（以下、ＯＦＦ光という）。したがって、ＯＮ状態のマイクロミラーＭで反射されたＯＮ光のみが投影光学系ＰＬによってスクリーン上に到達し、その結果、表示画像がスクリーン上に形成される。
【００２８】
この時、ＯＦＦ光が投影光学系ＰＬ内に入射してしまうと、コントラストの低下を招いてしまうことになるが、マイクロミラーＭが完全にＯＦＦ状態になるように制御した場合でも、マイクロミラーＭ表面以外の部分での反射や、マイクロミラーＭが完全に傾いていない０°付近の傾き状態にある瞬間等の不要な反射光が投影光学系ＰＬに入射してしまうことによってもコントラストの低下を招いてしまう。
ここで、コントラストとは式１に示すように、黒表示した場合の輝度を１として、白表示した場合の輝度と黒表示した場合の輝度の比として表される。
コントラスト＝白の輝度／黒の輝度（１）・・・（式１）
【００２９】
しかし、スクリーン上に表示される映像の場合、装置の黒の輝度よりも周囲が明るければ、スクリーン上でのコントラスト比は、その周囲の明るさを１として、その周囲の明るさと装置の白の輝度で制限され、下記の式２のようになる。
黒の輝度＜周囲の明るさの場合
コントラスト比＝白の輝度／周囲の明るさ（１）・・・（式２）
【００３０】
この様に、装置の黒の輝度よりも周囲が明るければ、コントラスト比は、その周囲の明るさと装置の白の輝度で決定される。そのため、“周囲の明るさ＞黒の輝度”の場合、黒の輝度を若干上げてでも、白の輝度を上げたほうが、スクリーン上のコントラスト比を上げることができる。
【００３１】
本発明は、図３に示すＯＦＦ光の１部、並びにマイクロミラーＭがＯＮ−ＯＦＦの過渡状態での不要光が投影光学系ＰＬに入射されることを防ぐことによりコントラストを改善するもので、図１において、照明光学系ＩＬの絞り位置に遮光板９を挿抜可能に設けるものである。
【００３２】
図１に示すように、ＤＭＤ６上においても図上の左側に配置されたマイクロミラーＭほどその不要光としてのＯＦＦ光が投射レンズＰＬに入射しやすく、右側に配置されたマイクロミラーＭほどその不要光としてのＯＦＦ光が投射レンズＰＬに入射し難くなることになる。
【００３３】
この理由により、図１における遮光板７の挿入位置は、図上の左側、即ちＤＭＤ６上において照明光が入射する側に配置されたマイクロミラーＭの主光線を遮る位置に挿入することが不要光の遮光において効果をもたらすことになる。
【００３４】
次に、遮光板７の形状について説明する。
図４は、投射型表示装置において、遮光板を使用しない時の照明光束、及び形状が異なる遮光板を使用したときの照明光束を示す図である。
図４（Ｃ）に示すように、遮光板を使用しない時、レンズ４−２を出射した照明光束の断面Ｂは円形である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示す遮光板は、それぞれの形状、面積が異なり、遮光板７によって遮光された照明光束の断面Ｂは異なった形状となっている。
【００３５】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示す遮光板７は、それぞれ図４（Ｃ）に示す照明光束の断面Ｂ、つまり円形を元とし、その半円形から直径ＰＱに沿ってそれぞれ弓形の部分ＰＱＲＰを削り込んだ形状である。半円形の直径をｒ、弓形の高さをｔとすると、図４（Ａ）の遮光板はｔ／ｒ＝０．２８、図４（Ｂ）の遮光板はｔ／ｒ＝０．４６、図４（Ｃ）の光束の断面においては遮光板は使用しないがｔ／ｒ＝１．０となっている。
図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示す遮光板７を使用し、また図４（Ｃ）のように遮光板を使用しない場合のレンズ４−２通過後の光束について、照度及びコントラスト比を計測したところ、表１のような結果を得た。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１について検討した結果より、ＤＭＤ６上において照明光束が入射する側に配置されたマイクロミラーＭの主光線を遮る位置に遮光板７を挿入し、照明光束の開口を絞ることで不要光を遮光し、コントラストを上げることができる。
但し、この場合も、照明光束の開口を絞ることでコントラストを上げることができるが、白の輝度も低下することになり、図４（Ａ）に示す遮光板のｔ／ｒ＝０．２８を最適値として採用した。
【００３８】
図５は、遮光板の形状の例をレンズとともに示す図である。
図５（Ａ）に示す遮光板７は、レンズ４−２と同心で直径の大きい円板を三日月状に加工した遮光板で、図５（Ｂ）に示す遮光板７は、矩形板からレンズ４−２に掛る部分を所定の曲率で削り込んだ遮光板である。
なお、両遮光板７内側の削り込み部の曲率は、光束の断面の両直径端の点Ｐ，Ｑと弓形の高さがｔである点Ｒとの３点を外周に有する円の曲率となる。
また、遮光板７の形状は、レンズ４−２通過以降の光束が、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すような形状であれば、図５に示す形状に限定されるものではなく、後述する挿抜制御の容易な形状が良好である。
【００３９】
また、この遮光板７はＤＭＤ６からなる光変調素子へ光束を投射する照明光学系の瞳位置近傍に設けられてもよく、またＤＭＤ６へ光束を投射するレンズ４−３の出口側に設けられてもよい。
【００４０】
図６は、照明光学系の光束内に遮光板を設け、挿抜制御する際の概略図で、図６（Ａ）は、レンズ４−２と平行に遮光板７を挿抜制御する様子を示し、図６（Ｂ）はレンズ４−２に対して垂直方向に遮光板７を開閉制御する様子を示す図である。
制御方法としては、レンズ４−２通過後の光束が、図４（Ａ）、または図４（Ｃ）になるようにどちらかを選択する方法や、図４（Ａ）から図４（Ｃ）まで明るさに合わせてリニアに変化させることも可能である。
また、その駆動手段としては、手動でも、ステッピングモータ等を使用した電動式でもかまわない。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図７は、本発明の第２の実施例による投射型画像表示装置の光学構成図である。
第２の実施例の投写型表示装置は、外光検出手段８と遮光板駆動手段９を有し、スクリーン上の明るさを測定することにより、自動的に遮光板７を挿抜制御する構成である。外光検出手段８によって得られたスクリーン上の明るさ情報を元に、常に周囲の明るさと装置の黒の輝度との関係が下記の式３を満たすように、遮光板駆動手段９を制御する。
スクリーン上の明るさ＝黒の輝度・・・（式３）
【００４２】
具体的には、外光検出手段８は、スクリーン上の明るさをＣｄＳのような受光素子を用い明るさを電気的に検出する。そして、遮光板７の挿入位置とスクリーン上の黒の輝度との関係を電気的に予め入力しておき、この電気信号と外光検出手段８から得られた電気信号とが式３を満たすように遮光板駆動手段９を制御する。外光検出手段８は、簡易的に装置周辺の明るさを測定してもよい。
【００４３】
第２の実施例の投写型表示装置においても、遮光板７を挿入するか、しないかの２段階切替であれば、外光検出手段８から得られた電気信号がある一定値を超えた場合に遮光板駆動手段９を制御し駆動するようにすればよい。
【００４４】
以上説明したように、本発明は図４に示すような遮光板７を図示する位置に挿入することにより、複数もしくは、複雑な構造の遮光板を使用することなく、コントラストを向上させることができる。また、可変させる場合も遮光板７の挿入位置を一方向に変化させるだけでよく、複雑な構造を必要としない。
これにより、スクリーン上、もしくは周囲の明るさに合わせた黒の輝度に制御し、常に最高のダイナミックレンジ、コントラスト比を確保することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、反射型光変調素子を有する投射型表示装置において、照明光学系の投射光束の１部を最適化した形状で単一部品の遮光板を可変に制御することで、その明るさの減少を最小限に抑え、コントラスト値を大きく上昇させることができる。また、遮光板は複雑な構造をもたず、簡単な構造で実現することができる。
【００４６】
また、周囲の明るさを検出する外光検出手段と遮光板を可変制御する遮光板駆動手段を有することで、周囲の明るさに合わせた最適のダイナミックレンジ、コントラスト比を有する投射映像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による投射型画像表示装置の光学構成図である。
【図２】ＤＭＤのマイクロミラーがＯＮ状態のときの光路を示す光学構成図である。
【図３】ＤＭＤのマイクロミラーがＯＦＦ状態のときの光路を示す光学構成図である。
【図４】投射型表示装置において、遮光板を使用しない時の照明光束、及び形状が異なる遮光板を使用したときの照明光束を示す図である。
【図５】遮光板の形状の例をレンズとともに示す図である。
【図６】照明光学系の光束内に遮光板を設け、挿抜制御する際の概略図である。
【図７】本発明の第２の実施例による投射型画像表示装置の光学構成図である。
【符号の説明】
１…光源、２…カラーホイール、３…インテグレータロッド、４…レンズ群、５…折り返しミラー、６…ＤＭＤ、７…遮光板、８…外光検出手段、９…遮光板駆動手段、ＩＬ…照明光学系、ＰＲ…ＴＩＲプリズム、ＰＲ１…第１プリズム、ＰＲ２…第２プリズム、Ｍ…マイクロミラー、ＰＲ…ＴＩＲプリズム、Ｍ…マイクロミラー。

Claims

反射型光変調器を有する投射型表示装置において、前記反射型光変調器に対する照明光学系に、該照明光学系の光束の片側断面の一部を遮光して不要光を遮光する遮光板を前記照明光学系の光路内に挿抜可能に設けたことを特徴とする投射型表示装置。
前記遮光板挿入時の遮光板通過後の光束は、遮光板通過前の光束半径をｒとし光束中心から光束外周へ向かう方向へ距離ｔの点を点Ｒとした時に、光束中心と点Ｒとを結ぶ線分と光束中心を通る直交線が光束外周と交わる２点Ｐ，Ｑ、及び前記点Ｒとの３点を通過する円と、遮光板通過前の光束との重合部分の光束となることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
前記遮光板は、前記距離ｔと前記光束半径ｒとの比が０．４６以下である形状を有することを特徴とする請求項２に記載の投射型表示装置。
前記照明光学系の光束に対する前記遮光板の挿入方向は、前記反射型光変調器の前記照明光学系の光束が入射する側に配置された反射型光変調素子に対する主光線を遮光する方向であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の投射型表示装置。
前記遮光板は、前記照明光学系の瞳位置近傍に設けられることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の投射型表示装置。
前記遮光板は、前記照明光学系のレンズ出口近傍に設けられることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の投射型表示装置。
前記遮光板は、投射映像を表示するスクリーンの明るさが明るい場合に、前記照明光学系の光路内に挿入されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の投射型表示装置。
投射映像を表示するスクリーンの明るさを検出する明るさ検出手段を有し、該明るさ検出手段の明るさ検出値に基づいて前記遮光板を前記照明光学系の光路内に挿抜制御することを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の投射型表示装置。
前記遮光板は単一の部品で形成されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の投射型表示装置。