JP2005062849A - 照明光学系及び投射表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インテグレータ光学系上に結像された光源像の偏光選択変換ためのＰＢ合成プリズムの入射開口部に遮光板を配置して明るさを調整することのできる照明光学系を提供する。
【解決手段】 通常の減光しない場合は（Ａ）に示すようにＰＳ合成プリズム１３にフライアイの１／２ピッチに配列された遮光板１３ａが配置されている。光量を調節する場合は幅の広い開口アレイ１３ｃを移動させて（Ｂ）のように配置する。このようにすることで、２段階の開口の変調を行い、２段階の光量調整が可能なようにしている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、投射表示装置の照明光学系及び投射表示装置に関する。

従来、投射表示装置を使用する際、設置状況により明るい部屋での観賞と暗い部屋での観賞とが想定される場合、投射表示装置の明るさを変える方法が用いられている。その光量調節手段として一般的に以下の２通りの方法が知られている。
１つ目の方法としては、光源であるランプの出力をランプ電源で調整する方法である。これは、ランプ電源を制御してランプ出力光束を可変することで投射表示装置の投射の明るさを変えるものである。
２つ目の方法としては、カメラレンズの採光絞りと同様の可変絞りを投射レンズ内に設けて光学系FNo.を調整することで投射表示装置の投射の明るさを変えるものである。

しかしながら、この２方法にはそれぞれ次のような問題がある。１つ目の光源の出力を調整する方法に関して、ランプは安定して発光するように設計電力供給時において性能が最適となるよう、電極形状、バルブ形状、温度条件、バルブ内圧条件等が設定されいる。ランプ電源側で供給電力を可変させランプ出力光束を制御することは、その使用条件から逸脱することになり信頼性や寿命等に影響を及ぼすという問題がある。
また、２つ目の投射レンズ内の絞りによる調整に関して、投射レンズにおいて絞りにより明るさ調整は可能であるが、投射レンズ側で絞ることによるFNo.の変化は、系の明
るさを変調すると同時に、光学系のコントラスト性能を変調するこになってしまい、投射表示装置の性能を損なってしまうという問題がある。

そこで、上述の問題を解決する方法として、光源から発せられた光を複数の部分光束に分割するための複数のレンズからなるレンズアレイと、光の偏光方向を調整する偏光変換素子アレイとを備えた照明光学系を用いる際、レンズアレイと偏光変換素子アレイとの間に、偏光変換素子アレイに設けられた偏光分離膜への入射光量を調節する遮光材を設けて、光学機器の輝度を必要に応じて調節できるようにする提案がされている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−２３１０６公報

ところで、特許文献１によれば、投写光学系等他の光学系の設計の自由度を制限することなく、照明対象物への入射光量を調節することができることが提案されている。しかしながら、入射光量をきめこまかく調整するためには遮光材を平行な複数の遮光板で構成し、その内のいずれかを移動させて前記入射光量を調節するようにする必要があり、機構が複雑になるという問題があった。
また、複数の遮光板の組み合わせの範囲でしか入射光量を調節できず、連続的に入射光量を調節することができないという問題があった。
さらには、投射表示装置の照明光学系に一般的に用いられる放電ランプは、照度の径時変化を示すことが知られている。すなわち、設置当初から使用していくにつれてランプの照度が低下していき、特には、使用開始数百時間においてその変化度合いが著しい。この結果、投射表示装置の使用を開始した直後からランプの照度変化が急峻な期間が存在してしまうという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、インテグレータ光学系上に結像された光源像の偏光選択変換手段において、この偏光選択変換手段の入射側開口部の開口を制御することにより、空間光変調素子を照明する明るさを調整することのできる照明光学系を提供することを目的とする。
また、上述の照明光学系を用いて投射表示装置を構成することにより、所望の投射照度あるいは安定した投射照度の投射表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜２）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１）光源と、インテグレータ光学系と、偏光選択変換手段と、空間光変調素子と、を順次配列してなる投射表示装置に用いられる照明光学系において、
前記偏光選択変換手段は、
偏光選択手段と偏光変換手段とを１組とした単位で、前記単位がマトリクス状に多数配置されてなり、
各前記偏光選択変換手段のピッチは、前記インテグレータ光学系の各レンズピッチと同一であり、
各前記偏光選択手段の光軸と前記インテグレータ光学系の各レンズ光軸とが一致するように、前記偏光選択変換手段と前記インテグレータ光学系とが配置され、
前記偏光変換手段は、前記偏光変換手段の入射側に第１の遮光板を有し、
前記偏光選択手段は、前記偏光選択手段の入射口の大きさを可変するための第２の遮光板を有し、
前記偏光変換手段は、前記偏光選択手段から出力する偏光光を除く光が入力され、前記入力された光を前記偏光光と同一の偏光光に変換出力する構成を有することを特徴とする照明光学系。
２）１）記載の照明光学系を備え、
前記第２の遮光板を駆動するための駆動手段と、
前記駆動手段を制御するための駆動制御手段と、
前記光源の動作時間を検出するための電源動作時間検出手段と、
前記投射表示装置の投射照度を検出するための投射出力センサと、
前記投射照度を設定するための入力操作手段と、
を有することを特徴とする投射表示装置。

インテグレータ光学系上に結像された光源像の偏光選択変換手段の偏光ビームスプリッタアレイの入射開口部に遮光部を設置して、その開口を制御することにより、コントラスト等他の光学系の性能を損なうことなく、空間光変調素子への入射光量を調節することができる照明光学系を実現することができる。
また、遮光部を櫛形とし可動とすること、あるいは形状を楔形の薄板開口アレイとすることで、照明光学系のFNo.を変えることなく、フライアイ上に形成される二次光源像
を連続的に無段階に絞ることが可能である照明光学系を実現することができる。

さらに、設置環境やランプ寿命カーブに合わせて遮光部の開口を開くようにすることで、設置場所に応じた出射光量を調節可能である、あるいは径時変化により放電ランプの光束が変化しても、常に出射光量を一定に調節可能である照明光学系及び投射表示装置を実現することができる。

以下、本発明に係る光学照明系及び投射表示装置の発明を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。まず、図８を用いて各実施例に適用される反射型空間光変調素子を用いた投射表示装置の構成と、その動作の一例について説明する。
同図において、例えば超高圧水銀ランプであるランプ１０より発せられた光は、インテグレータ光学系１２ａ，１２ｂ、ＰＳ合成プリズム１３を透過してコールドミラー２に入射される。コールドミラー２で反射され光はダイクロイックミラー３に入射される。ダイクロイックミラー３に入射された光の内、赤色（Ｒ）光はダイクロイックミラー３を透過してミラー５に入射される。このＲ光はミラー５で反射されて偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと記す）１９に入射される。

青色（Ｂ）／緑色（Ｇ）光はダイクロイックミラー３で反射されてダイクロイックミラー４に入射される。ダイクロイックミラー４に入射された光の内、Ｇ光はダイクロイックミラー４で反射してＰＢＳ２０に入射される。ダイクロイックミラー４に入射された光の内、Ｂ光はダイクロイックミラー４を透過してＰＢＳ２１に入射される。

ＰＢＳ９に入射されたＲ光はその接合面でＳ波成分のみが反射し、空間光変調素子２５ｒに入射される。空間光変調素子２５ｒに入射されたＳ波成分は空間光変調素子２５ｒで反射してＰ波成分となり、ＰＢＳ９の接合面を透過して合成プリズム２２に入射される。ＰＢＳ２０に入射されたＧ光はその接合面でＳ波成分のみが反射し、空間光変調素子２５ｇに入射される。空間光変調素子２５ｇに入射されたＳ波成分は空間光変調素子２５ｇで反射してＰ波成分となり、ＰＢＳ２０の接合面を透過して合成プリズム２２に入射される。

ＰＢＳ２１に入射されたＢ光はその接合面でＳ波成分のみが反射し、空間光変調素子２５ｂに入射される。空間光変調素子２５ｂに入射されたＳ波成分は空間光変調素子２５ｂで反射してＰ波成分となり、ＰＢＳ２１の接合面を透過して合成プリズム２２に入射される。なお、空間光変調素子２５ｒ，２５ｇ，２５ｂには、周知のように、映像に応じた電圧がかけられ、入射されたＲ，Ｇ，Ｂ光がそれぞれ変調される。

合成プリズム２２に入射されたＲ，Ｇ，Ｂ光は合成プリズム２２によって合成され、投射レンズ２３によってスクリーン２４に投射される。このようにして、スクリーン２４に映像が表示される。

図１は、実施例１に適用される照明光学系の概略構成図を示したものである。
投射表示装置の照明は、ランプから出た光をデバイス上に効率よく集める必要があり、その方法としてクリティカル照明が知られている。これは、光源の像をレンズを使ってデバイス上に結像させる方法であり、光源像がデバイス上に形成されるので、光源の発光分布による照明ムラができやすい。ケラー照明は、クリティカル照明の問題点を解決するために考えられた方法で、光源とデバイスの間に開口絞りとしてのレンズを配し、デバイスに絞りの像を結像させる方法である。
実施例１に適用されるインテグレータ光学系の照明方法は、ケラー照明をさらに発展させたもので、デバイス上での照度の揺らぎを解消するために５０〜１００セル配列を持った一対のフライアイレンズアレイを用いることで擬似的に多数個のケラー照明系をデバイス上で重ね合わせるようにしている。

図１に示すように、光源１０から発せられた光はリフレクタ１１により光源側の第１フライアイ１２ａに供給される。その後、液晶デバイス１５側の第２フライアイ１２ｂ、ＰＳ合成プリズム１３、フィールドレンズ１４を透過してデバイス１５上に集光される。
この時、第２フライアイ１２ｂを形成する各セルがケラー照明の開口絞りに相当し、絞りの像に相当する第１フライアイ１２ａの各セルとその共役像がデバイス１５上の照明エリアということになる。第２フライアイ１２ｂの直後に配置しているのがＰＳ合成プリズム１３であり、各フライアイを透過した無偏光光をＰ波とＳ波に分離し、λ／２板にてＳ波を変調しＰ波にすることにより無偏光光をＰ波にそろえ光利用効率を高めるようにしている。もちろんその逆に無偏光光をＳ波にそろえるようにしてもよい。ＰＳ合成プリズム１３を透過した光を焦点距離ｆのフィールドレンズ１４にて集光して第１フライアイ１２ａの各セルの共役像を液晶デバイス１５上に重ね合わせて結象させることにより照度分布の均一な高効率な照明光を得るようにしている。

なお、第２フライアイ１２ｂが系の開口絞りにあたることから、この照明光学系のFNo.は各フライアイの口径とフィールドレンズ１４の焦点距離ｆで決定されることが判る
。
図２は、第２フライアイ１２ｂ上に形成される光源像の様子を簡単に示したものである。第２フライアイ１２ｂが共役関係にある第１フライアイ１２ａと液晶デバイス１５との間で開口絞りになっているため、開口絞りの像は光源１０の像となる。

図３に、偏光選択変換光学系の第２フライアイ１２ｂ上の光源像を示す。
ＰＳ合成プリズム１３がない場合の光源１０の像を、同図（Ａ）のＰＳ合成前の２次光源像に示す。ＰＳ合成プリズム１３を透過しＳ波成分の光線は、１／２波長板（以下λ／２板と記す）で変調されてＰ波となり、（Ａ）のＰＳ合成された２次光源像となりＰＳ合成プリズム１３の配列方向にフライアイの倍のピッチで光源像が配列する像を得る。この原理を簡単に説明すると（Ｂ）のようにＰＳ合成プリズム１３のλ／２板１３ｂがない方の偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと記す）に入射した無偏光の光について、Ｐ波は透過し、Ｓ波は反射し隣のＰＢＳへ、さらに隣のＰＢＳでも反射してλ／２板１３ｂを透過し変調されてＰ波となる。（Ａ），（Ｃ）に示すようにＰＳ合成前後の第２フライアイ上の光源像を見ても判るようにＰＳ合成前は隙間だらけの光源像だったのに対して、ＰＳ合成後はその隙間に変調されたＰ波の光源像が効率よく配列される。

その際、ＰＳ合成プリズム１３のＰＢＳアレイの配列のピッチは第２フライアイ１２ｂの１／２に設定する。こうすることで、第２フライアイ１２ｂの口径とフィールドレンズ１４の焦点距離ｆによって決まる光学系のFNo.は、ＰＳ合成によって変わることが
ない。さらにＰ波変調側のＰＢＳにＳ波が混在しないようにＰＳ合成プリズムのアレイのピッチに合わせて遮光板１３ａをＰＳ合成プリズム入射側に配置するようにしている。

ところで、偏光を考えなければ、わざわざ開口絞りにあたるフライアイの開口をさらに半分の開口で絞る必要ない。結果的に偏光成分の分離が必要な反射型光空間変調素子を用いた投射表示装置の照明系では、単純に入射する無偏光光を分離するＰＳ合成を用いない系の場合、ＰＳ分離のために光利用効率が５０％以下になってしまう。これに対し、上述のようにＰＳ合成を用いた系では高効率な照明光学系が期待できるのでこのようなＰＳ合成プリズムを用いたＰＳ合成は、投射表示装置の照明光学系に必要不可欠な存在となっている。

次に、図４を用いて照明光学系のFNo.を変えることなく照明光学系の光量を調節する
方法について説明する。
照明系の効率は、第２フライアイの光源像をいかに損失なくＰＳ合成するかで決まってくる。ＰＳ合成において、Ｐ波とＳ波が効率良く分離され合成されるためにはＰＢＳによるけられを少なくすることが重要である。逆にいえば、このけられ量を制御すれば任意の減光作用を得ることができる。上述のように、もともとＰＢＳアレイでは、フライアイの１／２ピッチに配列されたＰＢＳの片方は、光線が入射しても不要光となるため遮光板を配置するようにしている。そこでＰ波変調用のＰＢＳの手前に取り付ける櫛形の遮光板の開口を変えることによりFNo.を変えることなく減光することができる。

同図に示すようにＰＳ合成プリズムのフライアイの１／２ピッチに配列された櫛型の開口部の長手方向と平行に、開口部の１／２ピッチより幅の広い遮光板１３ｃを移動可能なように配置する。通常の減光しない場合は（Ａ）に示すようにＰＳ合成プリズムにフライアイの１／２ピッチに配列された遮光板１３ａが配置されている。光量を調節する場合は幅の広い開口アレイを移動させて（Ｂ）のように配置する。このようにすることで、２段階の開口の変調を行い、２段階の光量調整が可能なようにしている。

図５を用いて、連続的に光量調節が可能である実施例２について説明する。
実施例１では、２段階の光量調整を可能としているが実施例２では、これを連続的に調節可能とした構成例である。インテグレータ光学系については実施例１と同様の照明光学系を用いることとする。主要部である櫛型開口アレイの部分について説明する。実施例１では、可動側の櫛型開口アレイの移動方向を櫛型の開口部の長手方向と平行にしたが、同図に示すように移動方向を櫛型の開口部の長手方向と垂直にする。

通常の減光しない場合は（Ａ）に示すようにＰＳ合成プリズムのフライアイの１／２ピッチに配列された遮光板１３ａに、幅がフライアイの１／２ピッチ以下に設定された可動側櫛型開口アレイ１３ｄが重なる状態で配置されている。光量を調節する場合は幅の広い開口アレイ１３ｄを移動させて（Ｂ）のように配置する。この移動量を制御することで、連続的に開口の変調を行うことができるので、無段階の光量調整が可能となる。

図６を用いて、開口部が楔形開口アレイである実施例３について説明する。
インテグレータ光学系については実施例１と同様の照明光学系を用いることとする。主要部である楔型開口アレイの部分について説明する。実施例１，２では、可動側の開口部の形状を櫛型開口アレイとしたが、実施例３では、同図に示すように楔型の開口部１３ｅ，１３ｆとした。
同図に示すように遮光するＰＢＳのピッチに合わせた楔型の薄板アレイ１３ｅ，１３ｆを２枚互いの楔の傾斜部分でこすり合わせるように動かすことで遮光部の幅（開口率）を調節する。楔の高さはＰＢＳの開口と同じである。楔の長さは、開口の遮光量を制御し、例えば楔が長いほど遮光量が多くなる（開口率が小さくなる）。

通常の減光しない場合は（Ａ）に示すように遮光部が最も小さい状態で固定され、ＰＳ合成による光利用高率が最も高い状態である。光量を調節する場合は（Ｂ）に示すように楔１３ｅ，１３ｆをスライドしていき、それに伴い遮光部の幅を広くすることでＰＢＳアレイを透過する光源像の透過率を低く制御する。この楔１３ｅ，１３ｆの移動量を制御することで、連続的に開口の変調を行うことができるので、無段階の光量調整が可能となる。

投射表示装置の照明光学系に一般的に用いられる放電ランプは、図７に示すような照度の径時変化を示すことが知られている。すなわち、設置当初から使用していくにつれてランプの照度が低下していき、特には、使用開始数百時間においてその変化度合いが著しい。この結果、ユーザが投射表示装置の使用を開始した直後からランプの照度変化が急峻な期間では画像の明るさも急激に変化していくため、投射表示装置が正常に動作していないという誤った判断をしてしまうという問題が考えられる。

そこで上述の問題を解決するため、投射表示装置の光出力を所定の値に制御するようにした実施例４について説明する。図９は、実施例４に適用される光出力を制御する部分の概略ブロック図を示したものである。同図にあるように、光出力センサ６１、時間メータ６２、駆動モータ６３、駆動制御部６４、シスコン６５、入力操作部６６、外光センサ６７から構成されている。

以下、図７に示した径時変化を示す放電ランプを用いて、図１０、あるいは図１１に示す径時変化となるよう制御する場合を例に、制御される可動アレイは実施例３のものを例として説明する。
図１０は、投射表示装置の使用を開始した直後からランプの照度変化が急峻な期間においても、それ以後の緩やかな変化と同様の変化とする投射照度の特性曲線を示す。図１１は、所定の使用時間この場合は、２５００時間までランプの照度変化が一定に設定した投射照度の特性曲線を示す。

光源ランプ１０の使用経過時間を測定するための時間メータ６２が設けられており、時間メータ６２の検出結果をシスコン６５に供給する。投射表示装置の投射照度を測定する光出力センサ６１により投射照度を測定しシスコン６５に供給する。シスコン６５には予め図１０あるいは図１１に相当する投射照度の特性曲線が設定されている。入力操作部６６では、投射表示装置の制御モードを決定し、決定した制御モードをシスコン６５に供給する。制御モードであるが、予め投射照度の特性曲線を設定する場合を自動追従モードとする。この他、後述する使用環境に対応するモード、任意にユーザが設定するモード等がある。

入力操作部６６により自動追従モードが設定されている場合、シスコン６５はシスコン６５に供給された光源ランプ１０の使用経過時間と光出力センサ６１による投射照度とを比較して、設定されている図１０あるいは図１１に相当する投射照度の特性曲線に合致するよう可動アレイの動作量を決定する。その動作量に可動アレイを動かすために駆動制御部６４に逝去信号を供給し、駆動モータ６３を駆動させる。

このように制御することにより、ユーザが投射表示装置の使用を開始した直後からランプの照度変化が急峻な期間においても、画像の明るさが所定の使用時間まで一定に、あるいはそれ以後の緩やかな変化と同様の変化とすることができるため、投射表示装置が正常に動作していないという誤った判断をしてしまうという問題は解決される。

上述の実施例４では光センサ、ランプの径時測定をするための時間メータを用いる構成としたが、予めランプの特性及び制御後の特性曲線が設定されている場合は、シスコン単独で可動アレイの開閉を制御する構成としてもよい。

なお、上述の各実施例において、使用環境に対応するモードとして図９に示した外光センサ６７を用いることにより投射表示装置が設置された環境の明るさに応じて、遮光の状態を制御して照明光学系の明るさを可変させて、投射表示装置の投射光量を可変できる構成としてもよい。この場合、投射表示装置に外光センサを設け投射光量の設定を自動的に行う構成であるが、入力操作部を介して外部から投射光量の設定を行う構成、またはあるいはこれらを切り換えられるようにしてもよい。
さらには、任意にユーザが設定するモードとして投射表示装置が可動アレイを制御して投射光量を減量している状態において、投射する映像コンテンツに応じ入力操作部を介して外部から投射光量を増大あるいはなお減量する構成にすることにより、使用環境、投射する映像コンテンツに対応した投射画像性能が得られることが可能となる。

各実施例に適用される照明光学系の概略構成図を示したものである。 第２フライアイ上に形成される光源像を説明するための図である。 ＰＳ合成プリズムを用いた場合の第２フライアイ上に形成される光源像を説明するための図である。 実施例１に適用される櫛形開口アレイの配置を説明するための図である。 実施例２に適用される櫛形開口アレイの配置を説明するための図である。 実施例３に適用される楔型開口アレイの配置を説明するための図である。 放電ランプの照度の径時変化の一例を示した図である。 各実施例に適用される投射表示装置の概略構成図を示したものである。 実施例４に適用される光出力を制御する部分の概略ブロック図を示した図である。 光出力を制御した放電ランプの照度の径時変化の一例を示した図である。 光出力を制御した放電ランプの照度の径時変化の一例を示した図である。

符号の説明

１０…光源ランプ
１１…リフレクタ
１２ａ，１２ｂ…フライアイレンズ
１３…ＰＳ合成プリズム
１４…フィールドレンズ
１５…液晶デバイス
２…コールドミラー
３，４…ダイクロイックミラー
５…ミラー
２５ｒ，２５ｇ，２５ｂ…空間光変調素子
１９，２０，２１…偏光ビームスプリッタ
２２…合成プリズム
２３…投射レンズ
２４…スクリーン
２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ…空間光変調素子駆動回路
６１…光出力センサ
６２…時間メータ
６３…駆動モータ
６４…駆動制御部
６５…シスコン
６６…入力操作部
６７…外光センサ

Claims (2)

1. 光源と、インテグレータ光学系と、偏光選択変換手段と、空間光変調素子と、を順次配列してなる投射表示装置に用いられる照明光学系において、
   前記偏光選択変換手段は、
   偏光選択手段と偏光変換手段とを１組とした単位で、前記単位がマトリクス状に多数配置されてなり、
   各前記偏光選択変換手段のピッチは、前記インテグレータ光学系の各レンズピッチと同一であり、
   各前記偏光選択手段の光軸と前記インテグレータ光学系の各レンズ光軸とが一致するように、前記偏光選択変換手段と前記インテグレータ光学系とが配置され、
   前記偏光変換手段は、前記偏光変換手段の入射側に第１の遮光板を有し、
   前記偏光選択手段は、前記偏光選択手段の入射口の大きさを可変するための第２の遮光板を有し、
   前記偏光変換手段は、前記偏光選択手段から出力する偏光光を除く光が入力され、前記入力された光を前記偏光光と同一の偏光光に変換出力する構成を有することを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１記載の照明光学系を備え、
   前記第２の遮光板を駆動するための駆動手段と、
   前記駆動手段を制御するための駆動制御手段と、
   前記光源の動作時間を検出するための電源動作時間検出手段と、
   前記投射表示装置の投射照度を検出するための投射出力センサと、
   前記投射照度を設定するための入力操作手段と、
   を有することを特徴とする投射表示装置。
   
   

Images