JP2005301069A

JP2005301069A - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2005301069A
Application number: JP2004119411A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Kimura; 俊介木村; Masayuki Takahashi; 昌之高橋
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】コントラストを低下させる光線を、照明光学系及び投写レンズの双方に設けた絞りにより遮光することにより、明るさの低下を最小限に抑えながら、コントラスト性能を向上させる投写型表示装置を提供する。
【解決手段】光源１と、入射した照明光に対する反射光の進行方向を信号に応じて制御する反射型ライトバルブ６と、光源１からの光を反射型ライトバルブ６上に集光する照明光学系と、反射型ライトバルブ６からの光を拡大投写する投写レンズ７ａと、投写レンズ７ａの入射瞳の位置に配置され、開口部によって光源１からの放射光の一部を遮光する投写レンズ絞り４０と、投写レンズの入射瞳と略共役な位置に配置され、開口部によって光源１からの放射光の一部を遮光する照明光学系絞り３０とを備え、投写レンズ絞り４０及び照明光学系絞り３０は、各開口部の面積が変化可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてライトバルブ上に形成された光学像をスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関する。

大画面映像を得るために、ライトバルブに映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来よりよく知られている。ライトバルブとして、反射型ライトバルブを用いれば、高い解像度と高い画素開口率を両立させることができ、光利用効率の高い高輝度の投写画像を表示できる。

反射型ライトバルブを用いた従来例に係る投写型表示装置の光学系の構成図を図３１に示す。光源としてのランプ１から放射される光を反射型ライトバルブ６上に集光及び照明する照明光学系は、凹面鏡２、断面が反射型ライトバルブ６の有効表示面と略同じアスペクト比の四角柱状のロッドプリズム３、コンデンサレンズ４、及び集光ミラー５によって構成される。

凹面鏡２は反射面の断面形状が楕円形をなし、第１焦点と第２焦点とを有する。ランプ１の発光体の中心が凹面鏡２の第１焦点付近に位置するように配置され、ロッドプリズム３の光入射面が凹面鏡２の第２焦点付近に位置するように配置されている。また、凹面鏡２はガラス製基材の内面に赤外光を透過させ可視光を反射させる光学多層膜を形成させたものである。

ランプ１から放射される光は凹面鏡２により反射及び集光され、凹面鏡２の第２焦点にランプ１の発光体像を形成する。ランプ１の発光体像は光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺ほど急激に暗くなる傾向にあるため、輝度に不均一性が残る。この問題に対し、第２焦点付近にロッドプリズム３の入射面を配置し、ロッドプリズム３の側面で入射光を多重反射させて輝度の均一化を図り、ロッドプリズム３の出射面を２次面光源として以降のコンデンサレンズ４、集光ミラー５によって、反射型ライトバルブ６上に結像させれば、照明光の均一性を確保することができる。

ここで、反射型ライトバルブ６の動作について、図３２を用いて説明する。反射型ライトバルブ６は映像信号に応じて光の進行方向を制御し反射角の変化として光学像が形成されるものである。画素ごとにミラー素子２１がマトリックス状に形成され、各ミラー素子２１は白表示としてのＯＮ信号と黒表示としてのＯＦＦ信号でそれぞれ±θ゜だけ投写レンズの光軸と垂直な平面２２に対して傾く。照明主光線２４はカバーガラス２３を透過後ミラー素子２１に入射及び反射され、再びカバーガラス２３を出射する。

図３２（ａ）に示すように、まず、ＯＮ信号時において、照明主光線２４の入射角は、ＯＮ光主光線２５が平面２２と垂直な方向、即ち投写レンズの光軸に沿って反射及び進行するように設定する。この場合、照明主光線２４とＯＮ光主光線２５とのなす角度は２θとなる。また、図３２（ｂ）に示すように、ＯＦＦ信号時においては、ＯＦＦ光主光線２６が投写レンズに入射しない方向に反射及び進行し、照明主光線２４とＯＦＦ光主光線２６とのなす角度は６θとなる。

図３１に示すように、反射型ライトバルブ６に入射する照明光８は、ＯＮ信号時にはＯＮ光９として投写レンズ７に入射し、ＯＦＦ信号時にはＯＦＦ光１０として投写レンズ本体７の有効径の外に進行する。このようにＯＮ光９とＯＦＦ光１０の時間配分を映像信号に応じて制御することによりスクリーン上に投写画像を形成する。

しかしながら、図３２に示したカバーガラス２３と外部媒質の空気との界面で発生する反射光は、図３１においては斜線部である不要反射光１１として進行し、その一部は投写レンズ本体７に入射する。この不要反射光１１は、ＯＮ／ＯＦＦいずれの信号時においても同様に進行するため、特にＯＦＦ進行時の黒表示の品位に著しく悪影響を及ぼし、コントラスト性能を劣化させる要因となるという問題があった。

特許文献１は、この問題を解決するために、投写レンズ又は照明光学系に偏芯した絞りを導入することが提案されている。
国際公開第０２／０８８８４１号パンフレット

しかしながら、反射型ライトバルブの画素ごとにミラー素子２１が±θ゜だけ投写レンズの光軸と垂直な平面２２に対して傾くように設計されるが、製造上の誤差で±θ゜＋Δ°となってしまう場合もある。この場合、反射型ライトバルブから投写レンズに入る光束は＋２Δ°だけ設計した光軸からずれてしまい、著しく明るさが減少してしまう。

明るさを確保するためには＋２Δ°だけ照明光学系の光軸を傾ける必要がある。このことにより、ＯＮ光主光線２５は最初に設計した角度になり、明るさを確保できる。しかし、カバーガラス２３と外部媒質の空気との界面で発生する不要反射光１１は、照明光学系の光軸を＋２Δ°だけ傾けたために、―２Δ°だけ最初に設計した値よりずれることになる。その結果、不要反射光１１は投写レンズの瞳を通過し、スクリーンに到達してしまう。

この不要反射光１１は、ＯＮ／ＯＦＦいずれの信号時においても同様に進行するため、特にＯＦＦ進行時の黒表示の品位に著しく悪影響を及ぼし、コントラスト性能を劣化させる要因となってしまう。

また、カバーガラス２３が製造上の誤差で傾いた場合も、同様にコントラスト性能を劣化させる要因となる。前記特許文献１には、前記各問題を解決するために、投写レンズ又は照明光学系に偏芯した絞りを導入することを開示している。しかしこの場合、投写レンズは偏芯して非対称になった瞳を使用することとなる。通常は残存収差の大きい瞳周辺部を絞ることによって性能は向上するが、非対称になった瞳によって残存収差のバランスを崩し、性能を劣化させる。

また、照明光学系に偏芯絞りを導入した場合はライトバルブの微細構造による回折現象による散乱光がコントラストを低下させてしまう。

一方、投写レンズに偏芯絞りを導入した場合、散乱光も遮光でき、コントラスト向上の効果が高い。しかし光源からの光量を投写レンズの絞りで遮る必要があり、黒色処理された絞り部材が光を吸収し高温となって、耐熱性の問題で絞り部材を配置できない。また絞り部材が光を吸収して温度が上がらないように光を反射するように反射率の高い部材で絞り部材を構成した場合は、投写レンズ内に迷光が発生し、コントラストの低下原因となる。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、コントラストを低下させる光線を、照明光学系及び投写レンズの双方に設けた絞りにより遮光することにより、明るさの低下を最小限に抑えながら、コントラスト性能を向上させることができる投写型表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の投写型表示装置は、光源と、入射した照明光に対する反射光の進行方向を信号に応じて制御する反射型ライトバルブと、前記光源からの光を前記反射型ライトバルブ上に集光する照明光学系と、前記反射型ライトバルブからの光を拡大投写する投写レンズと、前記投写レンズの入射瞳の位置に配置され、開口部によって前記光源からの放射光の一部を遮光する投写レンズ絞りと、前記投写レンズの入射瞳と略共役な位置に配置され、開口部によって前記光源からの放射光の一部を遮光する照明光学系絞りとを備え、前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、前記各開口部の面積が変化可能であることを特徴とする。

本発明によれば、コントラストを低下させる光線を、照明光学系及び投写レンズの双方に設けた絞りにより遮光することができるので、明るさの低下を最小限に抑えながら、コントラスト性能を向上させることができる。

本発明に係る投写型表示装置は、投写レンズの入射瞳の位置に投写レンズ絞りが配置され、投写レンズの入射瞳と略共役な位置に照明光学系絞りが配置されているので、これらの双方の絞りによりコントラストを低下させる光線を遮光することができ、明るさの低下を最小限に抑えながら、コントラスト性能を向上させることができる。

前記本発明の投写型表示装置においては、前記各開口部の面積を制御する制御手段を備えており、前記制御手段による制御により、前記投写レンズ絞りの開口部の面積変化と前記照明光学系絞りの開口部の面積変化とを連動させることができることが好ましい。この構成によれば、投写レンズ絞りと照明光学系絞りとで分担して光学特性の向上を図ることができる。

また、前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りで遮蔽されて、前記開口部が形成され、前記各可動絞りの移動により、前記各可動絞りの前記開口部との境界部分が平行移動することが好ましい。この構成によれば、必要光の遮光を抑えながら不要光を抑えるのに適している。

また、前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りで遮蔽されて、前記開口部が形成され、前記各絞りを光軸方向から見たときに、前記各可動絞りの形状は直線を含んでおり、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りにより遮蔽された状態において、前記開口部と遮蔽部との境界が前記直線であり、前記各可動絞りは、光軸から前記直線に垂らした垂線の傾きが変化しないように移動可能であることが好ましい。この構成によれば、必要光の遮光を抑えながら不要光を抑えるのに適している。

また、前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な一対の可動絞りとを備え、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りで遮蔽されて、前記開口部が形成され、前記各絞りを光軸方向から見たときに、前記一対の可動絞りの各可動絞りの形状は直線を含んでおり、前記固定形状の開口の一部が前記一対の可動絞りにより遮蔽された状態において、前記開口部は前記一対の可動絞りの各直線により挟まれた部分であり、前記一対の可動絞りは、光軸から前記各直線に垂らした垂線の傾きが変化しないように移動可能であることがこのましい。この構成によれば、必要光の遮光を抑えながら不要光を抑えるのに適しており、さらに各可動絞りの移動量を小さくすることができる。

また、前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、さらに前記各可動絞りの移動量を制御する制御手段を備えており、前記制御手段による前記各可動絞りの移動量の制御により、前記投写レンズ絞りを透過した光線束の断面形状を、光軸に対して略対称にすることができることが好ましい。この構成によれば、光学性能を向上させることができ、解像力の低下や、周辺光量比が光軸に対して非対称になることを防止することができる。

また、前記投写レンズ絞りの開口部の形状と、前記照明光学系の開口部の形状とが相似形になるように、前記各開口部の面積が変化可能であることが好ましい。この構成によれば、光学性能を向上させるために、光線束の断面形状を光軸に対して略対称にすることに適している。

また、前記各開口部の面積は、連続的に又は多段階に変化可能であることが好ましい。この構成によれば、コントラスト性能と光出力とを任意に調整できる。

また、前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、前記投写レンズ絞りの可動絞りは、前記照明光学系絞りの可動絞りに比べ、反射率の低い部材で形成されていることが好ましい。

この構成によれば、前記投写レンズ絞りの可変絞りの反射を抑えることができるので、反射光が迷光となりコントラストを低下させることを防止することができる。すなわち、不要光線のほとんどは、照明光学系の可変絞り部材で遮光されるので、投写レンズの可変絞りでは少ない光量の散乱光を遮光するだけでよく、反射率を低くしても、温度上昇を抑えることができる。このため、投写レンズ絞りの可変絞りは、前記投写レンズ絞りの可変絞りに比べ反射率を低くすることができる。

また、前記投写レンズ絞りの可動絞りは、黒色処理された部材で形成され、前記照明光学系絞りの可動絞りは反射率を高めるように表面処理された部材又は金属地肌を露出させた部材で形成されていることが好ましい。

また、前記各開口部の面積を制御する制御手段を備えており、前記制御手段により前記開口部の面積を映像信号に応じて変化させることができることが好ましい。この構成によれば、画面全体が明るいときは開口部面積を大きく、画面全体が暗いときは開口面積を小さくなるように制御することができる。例えば映像が時間とともに変化する動画においては、暗い場面でのコントラストを向上させ、明るい場面での明るさは維持できるので、動画におけるコントラスト感を向上できる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る投写型表示装置の概略構成を示している。図１において、図３１に示した投写型表示装置と同一構成のものは同一番号を付している。すなわち、図１において、１は光源としてのランプ、６は反射型ライトバルブ、７は投写レンズ本体である。投写レンズ本体７内には、投写レンズ７ａが配置されレンズ群を形成している。反射型ライトバルブ６は、図３２に示した構成と同様であり、カバーガラス２３を備えている。

また、ランプ１からの光を反射型ライトバルブ６上に集光する光学系のこと照明光学系と呼ぶ。図１の例では、凹面鏡２、ロッドプリズム３、コンデンサレンズ４、集光ミラー５によって構成される光学系が照明光学系に相当する。１２は照明光学系の光軸を示している。

照明光学系には絞り３０が配置されており、投写レンズ７内には絞り４０が配置されている。絞り３０、絞り４０は、それぞれ遮光面積が可変可能である。絞り３０は、固定形状の開口３３が形成された固定絞り３１と可動絞り３２とを備えている。可動絞り３２の位置を変化させることにより、遮光面積を調整することができる。同様に、絞り４０は固定形状の開口４３が形成された固定絞り４１と可動絞り４２とを備えており、可動絞り４２の位置を変化させることにより、遮光面積を調整することができる。図１の状態では、絞り３０、４０共に固定絞り３２、４２の開口３３、４３が開放状態を示している。

図２は、絞り３０を光軸方向から見た平面図である。絞り４０も同様の構成であるので、括弧内に絞り４０における符合を示し、絞り４０の説明は省略する。図２（ａ）は開口３３の開放状態を示している。可動絞り３２の形状は直線３２ａを含んでおり、可動絞り３２は直線３２ａが平行移動するように移動可能である。すなわち、可動絞り３２が移動しても、光軸１２から直線３２ａに垂らした垂線の傾きは変化しない。

図２（ｂ）は開口３３の一部が可動絞り３２で遮蔽された状態を示している。開口３３が可動絞り３２で遮蔽されて開口部を形成している。すなわち、開口部と遮蔽部（斜線部）との境界が直線３２ａである。開口部の面積は、可動絞り３２の移動量に応じて変化することになる。

可動絞り３２を移動させる可動手段としては、例えばモーターの回転軸にギアを介して可動絞り３２を取り付け、モーターの回転と連動して可動絞り３２の位置が変化する構造を用いればよい。この場合、回転軸の回転量を制御して、遮光板を任意の位置に制止させて、遮光面積を制御できるようにすればよい。

また、平行リンクを形成する連結部材で可動絞り３２を支持してもよい。この場合、平行リンクの片側の２つの支点を可動絞り３２に取り付け、もう一方の２つの支点を可動絞り３２の外の位置に取り付け、可動絞り３２の外の位置における支点を中心に平行リンクを回転移動させるようにしてもよい。この構成によれば、簡単な構成で、可動絞り３２の直線３２ａを平行移動させることができる。これらの可動絞りの駆動機構については、後に説明する図２４の可動絞りについても同様である。

画像形成手段である反射型ライトバルブ６は、図３２を用いて説明した通り、画素毎にミラー素子２１がマトリックス状に形成され、映像信号に応じて光の進行方向を制御し反射角の変化として光学像が形成されるものである。すなわち、入射した照明光に対する反射光の進行方向を信号に応じて制御することができる。凹面鏡２は、反射面の断面形状が楕円形をなす楕円面鏡であり、第１焦点と第２焦点を有する。

ランプ１としてキセノンランプを用いており、発光体の中心が凹面鏡２の第１焦点付近に位置するように配置され、ロッドプリズム３の光入射面が凹面鏡２の第２焦点付近に位置するように配置されている。また、凹面鏡２は、ガラス製基材の内面に赤外光を透過させて可視光を反射させる光学多層膜を形成したものである。

ロッドプリズム３は、光の入射面及び出射面が反射型ライトバルブ６の有効表示面と同じアスペクト比である四角柱であり、ランプ１からの放射光が集光される場所に配置されるため、材質は耐熱性に優れる石英ガラスからなる。ロッドプリズム３の入射面付近に凹面鏡２によって集光されたランプ１の発光体像を形成させる。凹面鏡２によって集光されたランプ１の発光体像は光軸１２に近い中心付近が最も明るく、周辺ほど急激に暗くなる傾向にあるため、面内に輝度の不均一性が残る。

これに対し、ロッドプリズム３に入射した光線束はロッドプリズム３の側面で多重反射され、反射回数分だけ発光体像が細分割及び重畳されて照明されるため、ロッドプリズム３の出射面においては輝度が均一化される。このようにランプ発光体像の細分割及び重畳効果によって、ロッドプリズム３内で反射される回数が多いほど均一性が向上する。このため、均一性の度合いはロッドプリズム３の長さに依存する。本実施形態においては、スクリーン上の周辺照度が中心照度に対して９０％以上となるようにロッドプリズム３の長さを設定した。

このように輝度が均一化されたロッドプリズム３の出射面を２次面光源とし、それ以降に配置されているコンデンサレンズ４と集光ミラー５によって、反射型ライトバルブ６の有効表示面積とマッチングする倍率で結像させれば、集光効率の確保と均一性の向上とを両立させることができる。ランプ１から放射される光は照明光学系によって集光され、照明光は反射型ライトバルブ６に入射する。

反射型ライトバルブ６に入射した照明光うち、白表示に相当するＯＮ光９は投写レンズ７に入射してスクリーン上（図示せず）に拡大投写される。一方、黒表示に相当するＯＦＦ光は投写レンズ７の有効径外に進行し、スクリーンには到達しない。

なお、図３２を用いて説明したように、ＯＮ光はミラー素子２１が平面２２に対して＋θ゜だけ傾いた状態におけるミラー素子２１の反射光であり、ＯＦＦ光は−θ゜だけ傾いた状態におけるミラー素子２１の反射光である。

以下、図３を用いて各光学部材の位置関係を、より具体的に説明する。図３に示した投写型表示装置は、各光学部材の位置関係の理解を容易にするため、図１に示した構成において、光軸が同一線上となるように展開したものである。すなわち、図１に示した構成のうち、反射要素である集光ミラー５を、透過要素であるレンズ５ａに置き換え、かつ反射要素である反射型ライトバルブ６を透過要素であるライトバルブ６ａに置き換えている。図３中、斜線で示している光線束は、軸上光線束９０であり、９１及び９２は軸外光線束である。

ランプ１の発光体像は、楕円面鏡２によってロッドプリズム３の入射面に結像される。ロッドプリズム３を通る光は，ロッドプリズム３の内面で多重反射を繰り返して、出射面側では輝度が均一化される。

ロッドプリズム３の出射面を２次平面光源像とすると、この光源像はレンズ４ａ、５ａによってライトバルブ６ａに結像し、さらに投写レンズ７ａによってスクリーン上（図示せず）に結像する。すなわち、ロッドプリズム３の出射面とライトバルブ６ａの光学像形成面との関係は、互いに共役な関係にあり、ライトバルブ６ａの光学像形成面とスクリーン面との関係も互いに共役な関係にある。

図１の絞り３１に対応する絞り３１ａは、照明光学系の光路中に配置されており、レンズ４ａ、レンズ５ａとの間にある。絞り４０は、図１と同様に投写レンズ本体７中に配置されている。絞り３１ａ及び絞り４０は、軸上光線束９０、軸外光線束９１、及び軸外光線束９２の光線束断面積の大きさを決定する開口絞りである。絞り４０は投写レンズ７の入射瞳の位置に配置されており、絞り３１ａは絞り４０と略共役な位置に配置されている。

なお、図１の構成は光軸が同一線上にはないが、共役な関係については、図３の構成と同様である。また、図５以下の各図では、不要光の作用を説明するため、軸外光線束の図示は省略している。

図３に示した投写型表示装置は、絞り３１ａ及び絞り４０における遮光状態が異なれば、投写像の状態が異なることになる。このため、絞り３１ａ及び絞り４０における遮光状態の違いによる光線束の断面形状を説明しつつ、本実施の形態について説明する。

図３の状態は、絞り３１ａ及び絞り４０の開口は開放状態であり、図４に図３のＯＮ光光線束の断面図を示している。この断面図は投写レンズ７ａの光軸と直交する方向における光線束の断面図であり、光軸を通る水平線２００、垂直線２０１は、それぞれスクリーン上の画像における水平線、垂直線に相当する。このことは、図６以下の各断面図においても同様である。図４の例では、円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズ７ａの円形瞳と同じ大きさのＯＮ光光線束（斜線部）が絞り４０の開口４３を透過する。

図５は図３の構成において、ライトバルブ６aがＯＦＦの状態を示している。図６は、図５のＯＦＦ光光線束の断面図を示している。円弧１０２と円弧１０３とで囲まれた円形内部（斜線部）がＯＦＦ光光線束で、円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズの円形瞳と交わっていないので、ＯＦＦ光光線束は投写レンズ７ａを透過せず、遮光される。

図７は図３の構成において、カバーガラス２３（図３２参照）の反射光束を示している。図８は、図７のカバーガラス２３の反射光束の断面図を示している。円弧１０４と円弧１０５とで囲まれた円形内部（斜線部）がカバーガラス２３の反射光束であり、円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズの円形瞳と交わっていないので、カバーガラス２３の反射光束は投写レンズを透過せず、遮光されることになる。

以上の説明は、図３２（ａ）に示したようにミラー素子２１の回転角が正規の回転角θであることを前提としたものであり、絞り３０ａ及び絞り４０の開口を開放状態にしておけば、図４に示したように、ＯＮ光が遮光されることはなく、図６、８に示したように、ＯＦＦ光やカバーガラス２３の反射光束が円形瞳内に入射することもない。

図９は、図３の構成において、図３２（ａ）に示したようにミラー素子２１の回転角がθであるべきところ、θ＋ΔとなったときのＯＮ光光線束を示している。図１０は、図９のＯＮ光線束の断面図を示している。円弧１００と円弧１０６とで囲まれた円形内部がＯＮ光光線束（斜線部）で、図３及び図４で示したＯＮ光光線束よりも面積が減少しており、その結果明るさも減少してしまう。

図１１は、図９の構成においてミラー素子２１の回転角がθ＋Δとなったときの対策として、照明光学系を２Δだけ回転させたときのＯＮ光光線束を示している。図１２は、図１１のＯＮ光光線束の断面図を示している。円弧１００と円弧１０１とで囲まれた円形内部（斜線部）がＯＮ光光線束で、図３及び図４で示したＯＮ光光線束と同じ面積であり、その結果明るさも同等である。

図１３は、図１１の構成において、カバーガラス２３の反射光束を示している。図１４は、図１３のカバーガラス２３の反射光束の断面図を示している。円弧１０７と円弧１０８とで囲まれた円形内部（斜線部）がカバーガラス２３での反射光束である。このうち、円弧１０７と円弧１００とで囲まれた猫目内部は、円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズの円形瞳と交わっているので、この交わった部分の光束が投写レンズ７ａを透過し、コントラストの低下の原因となる。

図１５は、図１１の構成において、照明光学系の絞り３０ａを絞った状態を示している。この状態では、絞り３０ａにおいて、可動絞り３２が光軸１２方向に移動し、固定絞り３１の開口３３の一部が遮蔽されている。図１６は、図１５の構成においてカバーガラス２３の反射光束の断面図を示している。

絞り３０ａにおいて、固定絞り３１の開口３３を透過する光束の一部が可動絞り３２により遮光される。このことにより、カバーガラス２３の反射光束は、直線１０９と円弧１０８とで囲まれたＤカット形状となり、円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズ７ａの円形瞳と交わらなくなる。この結果、カバーガラス２３での反射光束は、投写レンズ７を透過できず、コントラスト低下を防止することができる。

図１７は、図１５の構成において、ＯＮ光光線束を示している。図１８は、図１７のＯＮ光光線束の断面図を示している。円弧１００と直線１１０とで囲まれたＤカット形状内部（斜線部）が、ＯＮ光光線束である。前記のように、絞り３０ａにおいて、固定絞り３１の開口３３を透過する光線束の一部が可動絞り３２により遮光されている。このことにより、ＯＮ光光線束の面積は減少し、明るさも減少している。この場合、ＯＮ光光線束は、投写レンズ７ａの光軸に対して非対称な瞳形状となり、解像力などの性能劣化を引き起こす。

図１９は、照明光学系の絞り３０ａ及び投写レンズ７ａの絞り４０を絞った状態におけるカバーガラス２３の反射光束を示している。すなわち、絞り３０ａにおいて、可動絞り３２が光軸方向に移動し、固定絞り３１の開口３３の一部が遮蔽されていることに加えて、絞り４０において、可動絞り４２が光軸方向に移動し、固定絞り４１の開口４３の一部が遮蔽されている。

この場合、絞り３０ａ、絞り４０の開口部の形状は、図２（ｂ）に示したように、円形の一部をカットした形状になる。詳細は後に説明するが、投射レンズ７ａを透過する光線束の断面形状を、光軸に対して対称な形状にするために、絞り３０ａ、絞り４０の開口部の形状は、相似形になっていることが好ましい。

図２０は、図１９の構成において、カバーガラス２３の反射光束の断面図を示している。照明光学系の絞り３０ａにおいて光束が遮光され、カバーガラス２３での反射光束の断面形状（斜線部）が円弧１１２と直線１１１とで囲まれるＤカット形状になっている。Ｄカット形状となることは、図１６の場合と同様であるが、図１９の構成は、図１５の構成よりも照明光学系の絞り３０ａの遮光量を少なくしている。このため、カバーガラス２３での反射光束のＤカット形状のうち、円弧１００と直線１１１とで囲まれた部分は、円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズ７ａの円形瞳と交っている。

このままでは、カバーガラス２３の反射光束が投写レンズ７ａを透過してコントラストを低下させてしまうことになる。しかしながら、図１９の構成は、前記のように投射レンズ７ａの絞り４０においても、固定絞り４１の開口４３の一部が遮蔽されている。このため、図２０の斜線で示した反射光束のうち投写レンズ７ａの円形瞳と交わった部分は、絞り４０において遮光されることになる。すなわち、図１９の構成では、照明光学系の絞り３１ａと投写レンズの絞り４０とが分担して、カバーガラス２３の反射光束が投写レンズ７ａを透過することによるコントラスト低下を防止している。

図２１は、図１９の構成において、ＯＮ光光線束を示している。図２２は、図２１の構成において、ＯＮ光光線束の断面図を示している。円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズの円形瞳の形状を上下頂部から直線１１３、直線１１４の位置までカットした形状の内部（斜線部）がＯＮ光光線束である。

この場合、円形瞳の上側の頂部から直線１１３までの間の光線束は遮光されることになる。このため、前記のように、円形瞳内におけるカバーガラス２３の反射光束も遮光されることになる。より具体的には、絞り量の設定を、直線１１３の位置と図２０に示した直線１１１の位置と一致させる設定、又は直線１１３の位置が直線１１１より光軸側にある設定にすれば、たとえ図２０のように、カバーガラス２３の反射光束が円形瞳内にあっても、これは遮光されることになる。

次に、照明光学系の絞り３１ａだけでカバーガラス２３の反射光束をすべて遮光した場合のＯＮ光光線束を示した図１８と、照明光学系の絞り３０ａと投写レンズ７の絞り４０で遮光した場合の図２２とを比較してみる。図１８の光線束は、光軸に対して非対称である。

これに対して、図２２の光線束は光軸に対して対称である。この場合、水平線２００に対しては上下対称であり、垂直線２０１に対しては左右対称である。実際の投写レンズは残存収差があり、光軸に対して非対称な光束は解像力の低下や、周辺光量比が光軸に対して非対称になる問題がある。したがって、図２２のような光軸に対して対称な光束は、図１８のような光軸に対して非対称な光束よりも高い光学性能を実現できる。

以上のように、照明光学系の絞り３０ａと投写レンズ７の絞り４０を用いた遮光によれば、不要反射光を遮光しつつ、光線束の断面形状を光軸に対して対称にすることができ光学性能の向上を図れることになる。

次に、図２３は、本発明の別の実施の形態に係る投写型表示装置の概略構成を示している。図２３に示した投写型表示装置は、絞りの構成が図２に示した構成と異なっている。図３に示した絞り３０ａ、絞り４０が各固定絞りの開口を片側から可動絞りで遮蔽するのに対して、図２３に示した絞り３０ｂ、絞り５０は、各固定絞りの開口を両側から可動絞りで遮蔽することができる。

図２４に、絞り３０ｂを光軸方向から見た平面図を示している。絞り５０は絞り３０ｂと同様の構成であるので、括弧内に絞り５０における符合を示し、絞り５０の説明は省略する。図２４（ａ）は開口３５の開放状態を示している。絞り３０ｂは、固定形状の開口３５が形成された固定絞り３４と、１対の可動絞り３６と可動絞り３７と備えている。可動絞り３６、３７の位置を変化させることにより、遮光面積を調整することができる。可動絞り３６の形状は直線３６ａを含んでおり、可動絞り３７の形状は直線３７ａを含んでいる。

可動絞り３６は直線３６ａが平行移動するように移動可能である。すなわち、可動絞り３６が移動しても、光軸から直線３６ａに垂らした垂線の傾きは変化しない。同様に、可動絞り３７は直線３７ａが平行移動するように移動可能であり、可動絞り３７が移動しても、光軸から直線３７ａに垂らした垂線の傾きは変化しない。

図２４（ｂ）は、開口３５の一部が可動絞り３６及び３７で遮蔽された状態を示している。開口３５が可動絞り３６、３７で遮蔽されて開口部を形成している。すなわち、直線３６ａ及び３７ａで挟まれた領域が開口部である。開口部の面積は、可動絞り３６、３７の移動量に応じて変化することになる。

この場合、絞り３０ｂ、絞り５０の開口部の形状は、図２４（ｂ）に示したように、円形を上下両側からカットした形状になる。前記のように、投射レンズ７ａを透過する光線束の断面形状を、光軸に対して対称な形状にするために、絞り３０ｂ、絞り５０の開口部の形状は、相似形になっていることが好ましい。

図２３に示した投写型表示装置は、絞り３０ｂは、可動絞り３６、３７により、図２４（ｂ）に示したように、開口３５の一部が遮蔽されている。絞り５０についても、可動絞り４６、４７により、開口４５の一部が遮蔽されている。図２３は、ＯＮ光光線束を示しており、図２５は図２３の構成においてＯＮ光光線束の断面図を示している。円弧１００と円弧１０１とで囲まれた投写レンズの円形瞳の形状を上下頂部から直線１１５、直線１１６の位置までカットした形状の内部（斜線部）がＯＮ光光線束である。この形状及び面積は図２２のＯＮ光光線束と同等である。したがって、この構成においても、不要反射光を遮光しつつ、光線束の断面形状を光軸に対して対称にすることができ光学性能の向上を図れることになる。

本実施の形態に係る絞りのように、固定絞りの開口を上下方向から遮光するようにすると、遮光すべき光量は各可動絞りで分担されるので、各可動絞りの遮光すべき光量を減らすことができる。このように、可動絞りが遮光すべき光量を減らすことができれば、可動絞りを反射率の低い表面状態にできる。例えば、黒色処理することができ、コントラストを向上できる。

一方、可動絞りの遮光すべき光量が大きければ、可動絞りが高温となって使用できなくなる。この場合は、可動絞りの表面は反射率の高い状態にしなければならず、その結果可動絞りで反射した光が投写レンズ内で迷光となってコントラストを低下させてしまう。

図２１の構成の投写レンズの絞り４０の可動絞りは、カバーガラス反射光束の一部と、ＯＮ光光線束の一部を遮光することとなる。図２３の構成の投写レンズの絞り５０の可動絞りは、カバーガラス反射光束の一部を遮光することとなる。ＯＮ光光線束の強度は、微少ミラーの反射率に比例するので微少ミラーの反射率が９０％の場合に９０とすると、カバーガラスの反射光束の強度はカバーガラスの反射率は４％であるので４となる。

したがって、図２１の投写レンズ絞り可変絞りは９４の光量を遮光するのに対して、図２３の投写レンズ絞り可変絞りは４の光量を遮光することとなる。このため、図２３の構成によれば光量の大きい高輝度プロジェクタの投写レンズに可変絞りを導入することができる。

図２６は、開口部面積とスクリーン上での光量との関係を示している。横軸は絞りの開口部面積の比で、絞りを完全に開いたときを１、絞りを閉じたときを０．５としている。縦軸はＯＮ状態におけるスクリーン上での光量であり、絞りを完全に開いたときを１００としている。

なお、絞りを閉じたときに遮蔽面積が最大になるが、本実施の形態では、開口が完全に遮蔽されるのではなく開口部が残っている。また、本実施の形態では、絞りは投写レンズの絞りと照明光学系の絞りとがあるが、各絞りの開口部の面積変化を連動させている。例えば、照明光学系の絞り開口部面積比が１のときは、投写レンズの絞りの開口部面積比も１にしている。

図２７は、開口部面積とスクリーン上での黒レベルすなわちミラー素子２１をＯＦＦ状態にしたときの光量との関係を示している。横軸の開口部面積は、図２６と同じ設定である。縦軸の光量は、図２６と同じ基準にしており、ＯＮ状態において開口部面積の比が１のとき光量を１０００にしたときの相対値を示している。

図２８は、開口部面積とスクリーン上でのコントラストとの関係を示している。横軸の開口部面積は、図２６と同じ設定である。縦軸のコントラストは、図２６の光量を図２７の黒レベルの光量で割ったものである。図２８から分かるように、開口部面積を変化させることによって、好みのコントラストに調整することが可能になる。

このため、光量と黒レベルの光量を調整することが可能となる。例えば明るくしたいときは可動絞りを開放側に移動させ、暗くしたいときは可動絞りを絞り、時間別に可動絞りの絞り量を調整することで、最高の明るさと最低の暗さのとの比を大きくすることができる
図２９は、映像入力信号の強度と光出力との関係を示している。横軸は映像入力信号の強度であり、最大値を１とした。縦軸は光出力であり、最大値を１０００とした。線６２は絞り固定の場合であり、可動絞りは固定されており、映像入力信号の強度が変化しても、遮蔽量は変化しない。

線６１は、映像入力信号の強度に応じて、可動絞りの移動量を変化させた場合を示している。この場合、映像入力信号の強度が低いときは、可動絞りを絞り遮光面積を大きくし、映像入力信号の強度が高いときは、可変絞りを開放する方向に移動させ遮光面積を小さくする。このようにすれば、可動絞りは固定した場合と比べ、入力信号の変化に対する光出力の変化が大きくなるので、より好ましい動画映像を再現できる。

図３０は、本実施の形態に係る絞りの制御を示す図である。信号回路と可動絞り駆動源とにより制御手段を構成している。まず、映像入力信号は、信号回路に送られる。信号回路では映像入力信号に応じてミラー素子２１（図３２参照）を駆動する信号をミラー素子２１に送る。

信号回路では、映像入力信号の強弱に応じた信号を発生し、照明光学系の可動絞り駆動源及び投写レンズの可動絞り駆動源に信号を送る。各可動絞り駆動源は、信号回路からの信号に応じて各可動絞りを駆動し、その移動量を制御する。

この制御では、照明光学系の絞りの開口面積の変化と、投写レンズの絞りの駆動源と開口面積の変化とが連動している。具体的には、信号回路は、図２９の線６１に示したような映像入力信号の値に応じた最適な光出力を得ることができるように、映像入力信号の値に応じて、照明光学系の可動絞りの駆動量と投写レンズの可動絞りの駆動源との組み合わせを決定する。したがって、照明光学系の絞りの開口面積の変化に連動して、投写レンズの絞りの開口面積も変化することになる。

また、各可動絞りの駆動量の組み合わせは、前記の図２２に示したように、光線束が水平線２００に対して対称であるように決定することにより、光学性能をより高めることができる。

なお、前記実施の形態において、各絞りの開口部の形状は、固定絞りの開口の円弧と可動絞りの直線で囲まれる形状としたが、可動絞りの直線を曲線に代えこの曲線が平行移動するようにしてもよい。

以上のように本発明によれば、コントラストを低下させる光線を、照明光学系及び投写レンズの双方に設けた絞りにより遮光することにより、明るさの低下を最小限に抑えながら、コントラスト性能を向上させることができるので、ライトバルブ上に形成された光学像をスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に有用である。

本発明の一実施の形態に係る投写型表示装置の概略構成図。本発明の一実施形態に係る絞りの平面図。図１に示した投写型表示装置の光軸を同一直線上に展開した場合の概略構成図。図３に示した投写型表示装置のＯＮ光光線束の断面図。図３に示した投写型表示装置のＯＦＦ光光線束を示す図。図５に示したＯＦＦ光光線束の断面図。図３に示した投写型表示装置のカバーガラス反射光を示す図。図７に示したカバーガラス反射光の断面図。図３に示した投写型表示装置において、ミラー素子の回転各がθ＋ΔになったときのＯＮ光光線束を示す図。図９に示したＯＮ光光線束の断面図。図９に示した投写型表示装置において、照明光学系を２Δだけ回転させた場合のＯＮ光光線束を示す図。図１１に示したＯＮ光光線束の断面図。図１１に示した投写型表示装置において、カバーガラス反射光を示す図。図１３に示した投写型表示装置のカバーガラス反射光の断面図。図１１に示した投写型表示装置において、絞り３０ａを絞った状態を示す図。図１５に示した投写型表示装置のカバーガラス反射光の断面図。図１５に示した投写型表示装置のＯＮ光光線束を示す図。図１７に示したＯＮ光光線束の断面図。図１５に示した投写型表示装置において、絞り３０ａ及び絞り４０を絞った状態を示す図。図１９に示した投写型表示装置のカバーガラス反射光の断面図。図１９に示した投写型表示装置のＯＮ光光線束を示す図。図２１に示したＮ光光線束の断面図。本発明の別の一実施の形態に係る投写型表示装置の概略構成図。図２３に示した絞りの平面図。図２３に示した投写型表示装置のＯＮ光光線束の断面図。本発明の一実施の形態に係る開口部面積とスクリーン上での光量との関係を示す図。本発明の一実施の形態に係る開口部面積とスクリーン上での黒レベルの光量との関係を示す図。本発明の一実施の形態に係る開口部面積とスクリーン上でのコントラストとの関係を示す図。本発明の一実施の形態に係る映像入力信号の強度と光出力との関係を示す図。本発明の一実施の形態に係る絞りの制御を示す図。従来の投写型表示装置の一例の概略構成図。反射型ライトバルブの動作を説明する断面図。

符号の説明

１ランプ
２凹面鏡
３ロッドプリズム
４コンデンサレンズ
６，６ａ反射型ライトバルブ
７投写レンズ本体
７ａ投写レンズ
１２光軸
３０，３０ａ，３１ｂ照明光学系の絞り
４０，５０投写レンズの絞り
３１，３４，４１，４４固定絞り
３２，４２，３６，３７，４６，４７可動絞り
３２ａ，３６ａ，３７ａ，４２ａ，４６ａ，４７ａ可動絞りの直線
３３，３５，４３，４５開口

Claims

光源と、
入射した照明光に対する反射光の進行方向を信号に応じて制御する反射型ライトバルブと、
前記光源からの光を前記反射型ライトバルブ上に集光する照明光学系と、
前記反射型ライトバルブからの光を拡大投写する投写レンズと、
前記投写レンズの入射瞳の位置に配置され、開口部によって前記光源からの放射光の一部を遮光する投写レンズ絞りと、
前記投写レンズの入射瞳と略共役な位置に配置され、開口部によって前記光源からの放射光の一部を遮光する照明光学系絞りとを備え、
前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、前記各開口部の面積が変化可能であることを特徴とする投写型表示装置。
前記各開口部の面積を制御する制御手段を備えており、前記制御手段による制御により、前記投写レンズ絞りの開口部の面積変化と前記照明光学系絞りの開口部の面積変化とを連動させることができる請求項１に記載の投写型表示装置。
前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りで遮蔽されて、前記開口部が形成され、前記各可動絞りの移動により、前記各可動絞りの前記開口部との境界部分が平行移動する請求項１に記載の投写型表示装置。
前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りで遮蔽されて、前記開口部が形成され、前記各絞りを光軸方向から見たときに、前記各可動絞りの形状は直線を含んでおり、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りにより遮蔽された状態において、前記開口部と遮蔽部との境界が前記直線であり、前記各可動絞りは、光軸から前記直線に垂らした垂線の傾きが変化しないように移動可能である請求項１に記載の投写型表示装置。
前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な一対の可動絞りとを備え、前記固定形状の開口の一部が前記可動絞りで遮蔽されて、前記開口部が形成され、前記各絞りを光軸方向から見たときに、前記一対の可動絞りの各可動絞りの形状は直線を含んでおり、前記固定形状の開口の一部が前記一対の可動絞りにより遮蔽された状態において、前記開口部は前記一対の可動絞りの各直線により挟まれた部分であり、前記一対の可動絞りは、光軸から前記各直線に垂らした垂線の傾きが変化しないように移動可能である請求項１に記載の投写型表示装置。
前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、さらに前記各可動絞りの移動量を制御する制御手段を備えており、前記制御手段による前記各可動絞りの移動量の制御により、前記投写レンズ絞りを透過した光線束の断面形状を、光軸に対して略対称にすることができる請求項１に記載の投写型表示装置。
前記投写レンズ絞りの開口部の形状と、前記照明光学系の開口部の形状とが相似形になるように、前記各開口部の面積が変化可能である請求項１に記載の投写型表示装置。
前記各開口部の面積は、連続的に又は多段階に変化可能である請求項１に記載の投写型表示装置。
前記投写レンズ絞り及び前記照明光学系絞りは、固定形状の開口が形成された固定絞りと、前記固定形状の開口の少なくとも一部を遮蔽し移動可能な可動絞りとを備え、前記投写レンズ絞りの可動絞りは、前記照明光学系絞りの可動絞りに比べ、反射率の低い部材で形成されている請求項１に記載の投写型表示装置。
前記投写レンズ絞りの可動絞りは、黒色処理された部材で形成され、前記照明光学系絞りの可動絞りは反射率を高めるように表面処理された部材又は金属地肌を露出させた部材で形成されている請求項９に記載の投写型表示装置。
前記各開口部の面積を制御する制御手段を備えており、前記制御手段により前記開口部の面積を映像信号に応じて変化させることができる請求項１に記載の投写型表示装置。