JP2007086302A - 可変絞りを有する画像投影装置 - Google Patents

可変絞りを有する画像投影装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 インテグレータによる均一照明の効果を残しながら可変絞りを効果的に機能させることの可能な画像投影装置を提供する。
【解決手段】 画像投影装置は、複数の２次光源像を生成するインテグレータと、２次光源像の共役位置又はその近傍で光量を制限する可変絞りＳＴと、を備える。可変絞りＳＴは可変絞り機構９で構成されており、固定開口２１ａを有するベース板２１と、固定開口２１ａへの進入により絞り込みを行う絞り羽根２３と、から成っている。絞り込みの前後において、可変絞りＳＴを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きくなっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は可変絞りを有する画像投影装置に関するものであり、例えば、表示画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞りを有する画像投影装置に関するものである。
表示素子の画像をスクリーン面上に拡大投影する画像投影装置において、可変絞りにより投影光量を変化させるものが、特許文献１で提案されている。その画像投影装置では、可変絞りで有効光束径の大きさを調節することにより、周辺環境の明暗に応じた画像モードの切り替えを行い、投影画像の明るさを低下させる場合でもコントラストを高めることを可能としている。
特開２００３−１０７３９６号公報
特許文献１で提案されている画像投影装置には、表示素子の画像表示面を均一に照明するためのロッドインテグレータが用いられている。ロッドインテグレータ，レンズアレイ等のインテグレータは、複数の２次光源像を生成し、その複数の２次光源像での重畳照明により照度分布の均一な照明を実現する。しかし、可変絞りでの絞り込みを行うと、複数ある２次光源像のうちの一部が遮光されてしまい、可変絞りを通過する２次光源像の数が絞り込みに伴って減少してしまう。その結果、インテグレータによる均一照明の効果が失われることになる。また、可変絞りでの絞り込みを行うと、投影系のＦナンバーが大きく(すなわち暗く)なって焦点深度が深くなるため、スクリーンに対して共役な面に近い他の光学部品(例えば、表示素子のカバーガラス等)に付着したゴミ等が投影画面上で目立つようになる。特許文献１では、こういった問題の存在は認識されておらず、その対策もなされていない。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、インテグレータによる均一照明の効果を残しながら可変絞りを効果的に機能させることの可能な画像投影装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、第１の発明の画像投影装置は、複数の２次光源像を生成するインテグレータと、前記２次光源像の共役位置又はその近傍で光量を制限する可変絞りと、を備えた画像投影装置であって、前記可変絞りの絞り込みの前後において、前記可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きいことを特徴とする。
第２の発明の画像投影装置は、上記第１の発明において、前記可変絞りの絞り開口の少なくとも一部がＮＤフィルターの特性を有することを特徴とする。
第３の発明の画像投影装置は、上記第１の発明において、前記可変絞りにより絞られた絞り開口が複数の開口から成ることを特徴とする。
本発明によれば、絞り込みの前後において、可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成になっているため、可変絞りでの絞り込みを行っても、可変絞りを通過する２次光源像の数の、絞り込みに伴う減少が抑えられる。その結果、インテグレータによる均一照明の効果が保たれる。また、投影系のＦナンバーが大きくなって焦点深度が深くならないように、可変絞りでの絞り込みを行うことができるので、スクリーンに対して共役な面に近い光学部品にゴミ等が付着していても投影画面上では目立たなくなる。したがって、インテグレータによる均一照明の効果を残しながら可変絞りを効果的に機能させることができる。例えば、表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えることにより、表示される映像シーンの明暗を強調して高コントラスト化を達成することが可能である。
以下、本発明に係る画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
図１に、照明系に可変絞りを有する画像投影装置の実施の形態を上方から見た状態で示す。図１において、１Ａ，１Ｂは光源、２Ａ，２Ｂはランプリフレクタ、３Ａ，３Ｂは折り返しミラー、４はコンデンサーレンズ、５は偏向プリズム、６はカラーホイール、７はロッドインテグレータ、８はリレー光学系、９は可変絞り機構、１０，１１はミラー、１２はプリズムユニット、１３は表示素子(ライトバルブ等)、１４は投影レンズである。なお、この画像投影装置では、光源１Ａ，１Ｂから折り返しミラー３Ａ，３Ｂまでの光学要素が２組から成ることにより、１灯のみの点灯と２灯同時点灯が可能な２灯式の照明系を構成している。
光源１Ａ，１Ｂは、白色光を発する放電ランプ(例えば、超高圧水銀灯)から成っている。ランプリフレクタ２Ａ，２Ｂの反射面は楕円面から成っており、その焦点位置に光源１Ａ，１Ｂが配置されている。つまり、ランプリフレクタ２Ａ，２Ｂは、光源１Ａ，１Ｂから発せられた光を集光して２次光源を形成する楕円面鏡(集光光学系)であり、光源１Ａ，１Ｂからの光束はランプリフレクタ２Ａ，２Ｂでの反射によりそれぞれ収束光となって射出する。なお、収束光の結像位置はロッドインテグレータ７の入射端面(又はその近傍)である。
ランプリフレクタ２Ａ，２Ｂから射出した収束光は、折り返しミラー３Ａ，３Ｂでの反射により偏向された後、コンデンサーレンズ４に入射する。このとき、折り返しミラー３Ａ，３Ｂからの光束が共にコンデンサーレンズ４に入射するように、対向するランプリフレクタ２Ａ，２Ｂからの光束が折り返しミラー３Ａ，３Ｂでそれぞれ反射される。コンデンサーレンズ４を経た各光束は、２つの屈折領域をもつ偏向プリズム５に入射する。偏向プリズム５に入射する２つの照明光は、位置的に略分離しており、それぞれ対応する屈折領域に入射する。このため、それぞれの主光線の角度差が小さくなり、それぞれの光束の角度分布差も小さくなる。したがって、どちらか片方だけの点灯でも照度分布の特性変化の少ない照明系が得られる。
偏向プリズム５を通過した２つの光束は、カラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーホイール６に入射する。カラーホイール６は、表示素子１３をカラーシーケンシャル方式で照明するためのカラーフィルターから成っている。例えば図７に示すように、Ｒ(赤色)・Ｇ(緑色)・Ｂ(青色)の色光をそれぞれ透過させるカラーフィルターで構成されている。このカラーホイール６を回転させると、照明光透過位置のフィルター部分が回転移動して、照明する色光が時間的に順次切り替わる。したがって、各色に対応した画像情報を表示素子１３に表示すれば、投影画像をカラー化することができる。
カラーホイール６を通過した光束は、ロッドインテグレータ７に入射する。ロッドインテグレータ７は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、その入射端面を２次光源近傍に有している。入射端面から入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ７の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて射出端面から射出する。ロッドインテグレータ７の入射端面と射出端面の形状は、表示素子１３の画像表示面と相似の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ７の射出端面は表示素子１３の画像表示面に対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により射出端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子１３は効率良く均一に照明されることになる。つまり、ロッドインテグレータ７での反射回数に応じて複数の２次光源像が形成され、リレー光学系８で重畳されることによって均質な照明が行われる。
なお、ロッドインテグレータ７は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子１３の画像表示面形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ７としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
また、２次光源像を生成し均一な照明を行うためにレンズアレイ式のインテグレータを使用してもよい。レンズアレイ式のインテグレータは第１のレンズアレイ板と第２のレンズアレイ板と凸レンズとからなる。第１のレンズアレイ板は、表示素子と略相似な形状を持つ複数のレンズが配列されたレンズアレイ板であり、光束を複数の光源(２次光源)に分割する。第２のレンズアレイ板は２次光源近傍に配置され、２次光源の数と同数のレンズが配置されたレンズアレイ板である。第２のレンズアレイ板近傍の２次光源は凸レンズにより表示素子１３上に重畳され均一な照明が得られる。第１のレンズアレイ板と表示素子１３とが共役の関係にある(例えば、特開平３−１１１８０６参照のこと)。
ロッドインテグレータ７から射出した照明光は、リレー光学系８，可変絞り機構９の順に通過した後、ミラー１０，１１；プリズムユニット１２の順で反射され、表示素子１３の画像表示面に入射する。リレー光学系８は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ７の射出端面を表示素子１３の画像表示面上で結像させる。つまり、表示素子１３の画像表示面上にはロッドインテグレータ７の射出端面の像が形成されることになる。また、リレー光学系８はその光束射出位置の近傍に、ロッドインテグレータ７の入射端面と共役な面を形成する。この共役な面には複数の２次光源像が生成されている。
表示素子１３の画像表示面では、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１３としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、使用される表示素子１３はこれに限らず、投影系に適した他の反射型の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子１３としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみがプリズムユニット１２を通過した後、投影レンズ１４に入射し、その結果、表示素子１３の表示画像がスクリーン上に拡大投影される。なおプリズムユニット１２は、照明光を反射させ投影光を透過させるＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムから成っている。
照明系に設けられている可変絞り機構９は、表示素子１３の画像表示面で表示する画像の明るさに応じて、投影光量を高速でダイナミックに(例えば、人間による識別が不可能な高速で)変化させるための可変絞りを構成している。その可変絞りは、ロッドインテグレータ７で生成した複数の２次光源像の位置(又はその近傍)で光量を制限する。本実施形態の場合には、リレー光学系８の光束出口近傍である。そして、可変絞り機構９は(例えばフレーム毎に)高速で動作し、画像信号が持つ画像の明るさに関する情報に基づいた絞りの開閉により、投影画像の明暗を変化させる。例えば、暗い場面のときは投影光量を減少させてしまりのある黒を表現し、明るい場面のときは投影光量を増加させてくっきりとした画面にする。場面に応じてダイナミックレンジを広くすることができるので、コントラスト感の良い映像表現が可能となる。
次に、図１の画像投影装置において好適に使用可能な可変絞り機構９を、具体例を挙げて説明する。図２〜図５に、可変絞りＳＴを構成する可変絞り機構９の具体例１〜４をそれぞれ示す。図２〜図４に示す具体例１〜３は１枚羽根タイプの可変絞り機構９であり、図５に示す具体例４は２枚羽根タイプの可変絞り機構９である。
図２において、(Ａ)は可変絞り機構９の具体例１を上方から見た状態で示す平面図であり、(Ｂ)〜(Ｄ)はその絞り開閉動作をリレー光学系８側から光軸に沿って見た状態で示す正面図である。また図２において、(Ｂ)は絞り開状態、(Ｃ)は絞り開閉の途中の状態(つまり固定開口２２ａが絞り羽根２３で半分覆われた状態)、(Ｄ)は絞り閉状態をそれぞれ示している。可変絞り機構９の具体例１は、ボイスコイルモータから成るアクチュエータ２１と、開放時の絞り径を規定する固定開口２２ａを有するベース板２２(例えば金属製)と、ＮＤ(Neutral Density)フィルターから成る絞り羽根２３と、で構成されている。
絞り羽根２３は、ベース板２２を挟んでアクチュエータ２１に取り付けられており、軸２１ａを中心にアクチュエータ２１で回動可能に構成されている。可変絞りＳＴによる絞り込みは、ベース板２２の固定開口２２ａへ絞り羽根２３が進入することにより行われる。絞り羽根２３の位置はセンサー(不図示)によって検出され、絞り羽根２３の停止位置と可変絞りＳＴを通過する光量との関係を規定するデータが別途メモリ(不図示)に記憶されている。したがって、絞り羽根２３の停止位置を映像情報に基づいて制御することにより、可変絞りＳＴを通過する光量が制御される。
絞り羽根２３は、透過率が２５％のＮＤフィルターで構成されている。したがって、絞り閉状態(Ｄ)では全体の光量が１／４に制限される。ＮＤフィルターのタイプとしては、吸収型(光を吸収する成分を含んだ材質から成るタイプ)やコーティング型(誘電体多層膜，金属薄膜等のコーティングを有するタイプ)が知られている。可変絞りＳＴを投影系に配置する場合には、反射光が迷光の原因にならないようにするため、吸収型のＮＤフィルターを用いるのが好ましい。それに対し、可変絞りＳＴを照明系に配置する場合には、光のエネルギーが高いため、熱や信頼性の観点から反射率の高いコーティング型のＮＤフィルターを用いるのが好ましい。
ＮＤフィルターを作製する場合、線膨張係数の小さい耐熱ガラスや熱伝導率の高いサファイア等の材料から成る基板を使用するのが好ましい。このような材料から成る基板を用いれば、照明光の吸収熱による破損等を効果的に防止することができる。したがって、信頼性を向上させることが可能である。さらに、カラーホイールモーター(不図示)を冷却するファンの風を可変絞り機構９に一部導いて冷却する構成にすれば、熱に対する信頼性を更に向上させることができる。また基板として、大画面液晶テレビ等で使用されるような撓みやすく割れにくいガラスを用いれば、絞り込み動作時の負荷に対する信頼性も向上する。
ここで、図２に示す可変絞り機構９において、絞り羽根２３として(ＮＤフィルターではなく)光線を透過させない遮光部材を用いて光量を制限する場合を考える。図２(Ｂ)に示す絞り開状態で可変絞りＳＴを通過する光量を１００とすると、図２(Ｃ)に示す絞り開閉途中状態で可変絞りＳＴを通過する光量は５０となり、図２(Ｄ)に示す絞り閉状態で可変絞りＳＴを通過する光量は０となる。したがって、絞り込みの前後において、可変絞りＳＴを通過する光量の変化は１００％となる。また、図２(Ｂ)に示す絞り開状態での絞り開口の有効領域の大きさを１００とすると、図２(Ｃ)に示す絞り開閉途中状態での絞り開口の有効領域の大きさは５０となり、図２(Ｄ)に示す絞り閉状態での絞り開口の有効領域の大きさは０となる。したがって、絞り込みの前後において、絞り開口の有効領域の大きさの変化も１００％となる。
上記のように可変絞りＳＴの絞り込みを行うと、可変絞りＳＴを通過する光量が変化するとともに絞り開口の有効領域の大きさも変化する。このため、複数ある２次光源像のうちの一部が遮光されることにより、可変絞りＳＴを通過する２次光源像の数も減少してしまう。その結果、ロッドインテグレータ７による均質な照度分布の照明が得られなくなる。絞り開口の有効領域において光源像が均一に分布しているならば、可変絞りを通過する光量の変化は絞り開口の有効領域の面積にほぼ比例するが、画像投影装置に通常用いられる可変絞りでは２次光源像の分布が不均一で、画面周辺部分よりも画面中心部分で明るくなる。このため、絞り開口の有効領域が変化した割には可変絞りＳＴを通過する光量の変化が小さく、ロッドインテグレータ７による均一照明の効果が大幅に低下することになる。また、可変絞りＳＴでの絞り込みを行うと、投影系のＦナンバーが大きく(すなわち暗く)なって焦点深度が深くなるため、スクリーンに対して共役な面に近い他の光学部品(例えば、表示素子のカバーガラス等)に付着したゴミ等が投影画面上で目立つようになる。
次に、図２に示す可変絞り機構９において、ＮＤフィルター(透過率：２５％)から成る絞り羽根２３を用いて光量を制限する場合を、上記と同様に考える。図２(Ｂ)に示す絞り開状態で可変絞りＳＴを通過する光量を１００とすると、図２(Ｃ)に示す絞り開閉途中状態で可変絞りＳＴを通過する光量は６２．５(＝５０×０．２５＋５０)となり、図２(Ｄ)に示す絞り閉状態で可変絞りＳＴを通過する光量は２５となる。したがって、絞り込みの前後において、可変絞りＳＴを通過する光量の変化は７５％となる。また、図２(Ｂ)に示す絞り開状態での絞り開口の有効領域の大きさを１００とすると、図２(Ｃ)に示す絞り開閉途中状態での絞り開口の有効領域の大きさも１００となり、図２(Ｄ)に示す絞り閉状態での絞り開口の有効領域の大きさも１００となる。したがって、絞り込みの前後において、絞り開口の有効領域の大きさの変化は０％となる。
上記のように、絞り込みの前後において、可変絞りＳＴを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成になっていれば、可変絞りＳＴでの絞り込みを行っても、可変絞りＳＴを通過する２次光源像の数の、絞り込みに伴う減少は抑えられる。その結果、ロッドインテグレータ７による均一照明の効果は保たれる。図２(Ｃ)に示す絞り開閉途中状態では、一部の２次光源像の光量が弱まって照度の不均一性は多少増すが、２次光源像の数を減らすことなく光量を落としているので、光線を透過させない遮光部材を用いて光量を制限する場合と比べると、より均質な照度分布を維持することができる。また、投影系のＦナンバーが大きくなって焦点深度が深くならないように、可変絞りＳＴでの絞り込みを行うことができるので、スクリーンに対して共役な面に近い光学部品にゴミ等が付着していても投影画面上では目立たなくなる。したがって、ロッドインテグレータ７による均一照明の効果を残しながら可変絞りＳＴを効果的に機能させることができる。例えば、表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えることにより、表示される映像シーンの明暗を強調して高コントラスト化を達成することが可能である。
上記観点から、複数の２次光源像を生成するインテグレータと、２次光源像の共役位置又はその近傍で光量を制限する可変絞りと、を備えた画像投影装置においては、可変絞りの絞り込みの前後において、可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きいことが好ましい。このように構成すれば、上述したように、所望の明るさを得たときの２次光源像の数をより多く確保して、均質な照度分布を確保することができる。可変絞りを具体化する上では、固定開口を有するベース板と、固定開口への進入により絞り込みを行う絞り羽根と、で可変絞りを構成し、その絞り込みの前後において、可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成とすることが更に好ましい。
可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成として、具体例１のように、可変絞りの絞り開口の少なくとも一部がＮＤフィルターの特性を有する構成を採用することが好ましい。より具体的には、絞り羽根において固定開口に進入する部分の少なくとも一部がＮＤフィルターの特性を有する構成を採用することが好ましい。ＮＤフィルターを用いれば、可変絞りを絞り込んでも絞り開口の有効領域の大きさ(つまり有効面積)は変化しないので、通過する２次光源像の数も変化しない。したがって、簡単な構成でありながら、光線の透過領域を制限することなく透過光量を減らすことができる。
図１に示す画像投影装置のような２灯式の照明系を、１灯のみを点灯させて使用する場合には、２次光源像の分布に偏りが大きく生じるため、照度分布の不均一性がより目立つようになる。したがって、上記のように可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成、なかでも絞り開口の少なくとも一部がＮＤフィルターの特性を有する構成はより効果的である。また、２灯同時点灯の場合や各１灯点灯の場合で絞り位置と光量変化との関係が大きく異なる場合には、可変絞り位置(つまり絞り羽根の位置)と光量変化との関係を各使用状態についてのデータとして予め記憶しておく必要がある。必要となるデータを少なくするために、固定開口に対する絞り羽根の挿入の仕方が２灯の合成方向にできるだけ対称となるようにするのが好ましい。このようにすれば、２灯のうちのどちらを点灯させる場合でも、可変絞りによる光量変化を同じようにすることできるので、必要となるデータが少なくて済む。
次に、可変絞り機構９の具体例２を説明する。図３において、(Ａ)〜(Ｃ)は具体例２の絞り開閉動作をリレー光学系８側から光軸に沿って見た状態で示す正面図である。また図３において、(Ａ)は絞り開状態、(Ｂ)は絞り開閉の途中の状態(つまり固定開口２２ａが絞り羽根２４で半分覆われた状態)、(Ｃ)は絞り閉状態をそれぞれ示している。可変絞り機構９の具体例２は、ボイスコイルモータから成るアクチュエータ２１と、開放時の絞り径を規定する固定開口２２ａを有するベース板２２と、小開口２４ａをメッシュ状に有する遮光板から成る絞り羽根２４と、で構成されている。この絞り羽根２４は、金属(アルミ等)から成る板を型で打ち抜くことにより作製可能である。したがって、ＮＤフィルターを用いるよりも安価に製造することができる。また、艶のある反射率の高い素材を用いたり、メッキ等の増反射処理を利用したりすれば、熱等に対する信頼性も確保することができる。
絞り羽根２４は、ベース板２２を挟んでアクチュエータ２１に取り付けられており、軸２１ａを中心にアクチュエータ２１で回動可能に構成されている。可変絞りＳＴによる絞り込みは、ベース板２２の固定開口２２ａへ絞り羽根２４が進入することにより行われる。絞り羽根２４の位置はセンサー(不図示)によって検出され、絞り羽根２４の停止位置と可変絞りＳＴを通過する光量との関係を規定するデータが別途メモリ(不図示)に記憶されている。したがって、絞り羽根２４の停止位置を映像情報に基づいて制御することにより、可変絞りＳＴを通過する光量が制御される。
前記絞り羽根２３(図２)が透過率２５％のＮＤフィルターで構成されているのに対し、この絞り羽根２４は透過率が２５％となるように複数の小開口２４ａが設けられた遮光部材で構成されている。つまり、絞り羽根２４において固定開口２２ａに進入する部分の開口面積が２５％となるように、複数の小開口２４ａが設けられている。これにより、具体例１と同様、絞り閉状態(Ｄ)では全体の光量が１／４に制限される。ただし、絞り開口の有効領域の大きさは絞り開状態(Ａ)と実質的に変化ないので、多くの２次光源像からの光束は絞り開口を通過することができる。したがって、具体例１の場合と同様、可変絞りＳＴを通過する２次光源像の数を減らすことなく絞り込みを行うことができるので、ロッドインテグレータ７による均一照明の効果を残しながら可変絞りＳＴを効果的に機能させることができる。
可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成として、具体例２のように、可変絞りにより絞られた絞り開口が複数の開口から成る構成を採用することが好ましい。より具体的には、絞り羽根により絞られた絞り開口の有効領域が複数の開口から成る構成を採用することが好ましい。絞られた絞り開口を複数の開口で構成すれば、可変絞りを絞り込んでも絞り開口の有効領域の大きさ(つまり有効面積)の変化量は少ないので、通過する２次光源像の数の変化も抑えられる。したがって、簡単な構成でありながら、光線の透過領域を制限することなく透過光量を減らすことができる。
次に、可変絞り機構９の具体例３を説明する。図４において、(Ａ)〜(Ｃ)は具体例３の絞り開閉動作をリレー光学系８側から光軸に沿って見た状態で示す正面図である。また図４において、(Ａ)は絞り開状態、(Ｂ)は絞り開閉の途中の状態(つまり固定開口２２ａが絞り羽根２５で半分覆われた状態)、(Ｃ)は絞り閉状態をそれぞれ示している。可変絞り機構９の具体例３は、ボイスコイルモータから成るアクチュエータ２１と、開放時の絞り径を規定する固定開口２２ａを有するベース板２２と、透過率の異なった複数の領域を有するＮＤフィルターから成る絞り羽根２５と、で構成されている。
絞り羽根２５は、ベース板２２を挟んでアクチュエータ２１に取り付けられており、軸２１ａを中心にアクチュエータ２１で回動可能に構成されている。可変絞りＳＴによる絞り込みは、ベース板２２の固定開口２２ａへ絞り羽根２５が進入することにより行われる。絞り羽根２５の位置はセンサー(不図示)によって検出され、絞り羽根２５の停止位置と可変絞りＳＴを通過する光量との関係を規定するデータが別途メモリ(不図示)に記憶されている。したがって、絞り羽根２５の停止位置を映像情報に基づいて制御することにより、可変絞りＳＴを通過する光量が制御される。
この具体例３には、透過率が領域によって異なる絞り羽根２５が用いられている。前記絞り羽根２３(図２)が透過率２５％のＮＤフィルターのみで構成されているのに対し、この絞り羽根２５は透過率が互いに異なる３つの領域(すなわち、透過率０％の第１領域２５ａ，透過率２５％の第２領域２５ｂ及び透過率５０％の第３領域２５ｃ)を有するＮＤフィルターで構成されている。第１，第２，第３領域２５ａ，２５ｂ，２５ｃの各透過率は、照度分布を損なわない程度に、光軸中心の光束がより透過しやすいように設定されている。同じ光量のとき光軸中心に近い光束の方がコントラストが高いので、照度分布とコントラスト感との兼ね合いにより各透過率が決定される。なお、絞り羽根２５の領域による透過率の変化を連続的なグラデーションで構成してもよい。
可変絞りＳＴでの絞り込みに伴って、第１領域２５ａ(透過率０％)が固定開口２２ａを覆う面積は増大するが、可変絞りＳＴを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成にはなっているので、絞り込みを行っても可変絞りＳＴを通過する２次光源像の数の、絞り込みに伴う減少は抑えられる。したがって、具体例１の場合と同様、ロッドインテグレータ７による均一照明の効果を残しながら可変絞りＳＴを効果的に機能させることができる。
前述の絞り羽根２４(図３)のように、遮光部材に設ける小開口の面積によっても透過率を設定することは可能である。したがって、第１領域２５ａの透過率が０％、第２領域２５ｂの透過率が２５％、第３領域２５ｃの透過率が５０％となるように、複数の小開口が設けられた遮光部材で絞り羽根２５を構成してもよい。回折の影響が出ない程度に小さな不透過微小領域を設け、その割合で透過率をコントロールすれば(例えば、２次光源像より小さい開口で密度，大きさ等を調整する。)、巨視的にＮＤフィルターのような特性を持たせることができる。この場合、グラデーションのような透過率変化を有するものも容易に作製できる。例えば、そのような微小不透過領域に相当する開口を持つマスクを用いて、ガラス基板に反射コーティングをすればよい。
次に、２枚羽根タイプの可変絞り機構９の具体例４を説明する。図５において、(Ａ)は可変絞り機構９の具体例４を上方から見た状態で示す平面図であり、(Ｂ)〜(Ｄ)はその絞り開閉動作をリレー光学系８側から光軸に沿って見た状態で示す正面図である。また図５において、(Ｂ)は絞り開状態、(Ｃ)は絞り開閉の途中の状態(つまり固定開口２７ａが絞り羽根２６Ａ，２６Ｂで一部覆われた状態)、(Ｄ)は絞り閉状態をそれぞれ示している。可変絞り機構９の具体例４は、ボイスコイルモータから成るアクチュエータ２１Ａ，２１Ｂと、開放時の絞り径を規定する固定開口２７ａを有するベース板２７(例えば金属製)と、鋸状部分ＰＡ，ＰＢを有する絞り羽根２６Ａ，２６Ｂ(例えば金属製)と、で構成されている。
絞り羽根２６Ａ，２６Ｂは、ベース板２７を挟んでアクチュエータ２１Ａ，２１Ｂに取り付けられており、軸２１Ａａ，２１Ｂａを中心にアクチュエータ２１Ａ，２１Ｂで回動可能に構成されている。可変絞りＳＴによる絞り込みは、ベース板２７の固定開口２７ａへ絞り羽根２６Ａ，２６Ｂが進入することにより行われる。絞り羽根２６Ａ，２６Ｂの位置はセンサー(不図示)によって検出され、絞り羽根２６Ａ，２６Ｂの停止位置と可変絞りＳＴを通過する光量との関係を規定するデータが別途メモリ(不図示)に記憶されている。したがって、絞り羽根２６Ａ，２６Ｂの停止位置を映像情報に基づいて制御することにより、可変絞りＳＴを通過する光量が制御される。
この具体例４(図５)のように、複数の絞り羽根を用いることによって、より対称な形状での絞り込みが可能となる。したがって、絞込み途中でも均一な照度分布を維持しやすいという効果が得られる。もし、１つのアクチュエータで複数の絞り羽根を動作させようとすると、リンク機構を介して動作させる絞り羽根が生じてしまう。リンク機構を介すると、機構のクリアランス等のため正確な位置決めが困難になる。また、リンク機構のクリアランスをきつくすると、高速での制御が困難になり耐久性が低下するという問題も生じる。具体例４では、１つの絞り羽根に１つのアクチュエータと１つの位置センサーを設けることにより、上記問題点を解決し、照度分布の良い可変絞り機構を実現している。
前記具体例２の絞り羽根２４(図３)が複数の小開口２４ａを有する遮光部材で構成されているのに対し、この具体例４の絞り羽根２６Ａ，２６Ｂは鋸状部分ＰＡ，ＰＢを有する遮光部材で構成されている。そして、絞り羽根２６Ａ，２６Ｂの形状を２灯式照明系の２次光源像分布と略合致する鋸状とし、絞り閉状態(Ｄ)で複数の開口ＰＨが構成されるようにしている。こうすることにより、可変絞りを通過する実際の光量変化よりも絞り開口の有効領域の大きさの変化を小さく抑えるとともに、どちらか１灯のみの点灯時にも照度分布や光量変化の仕方が大きく変わらないようにすることができる。
また、絞り羽根２６Ａ，２６Ｂは粗く大きい開口を有する遮光板から成るものとほぼ等価であると考えられるので、絞り閉状態(Ｄ)では複数の開口ＰＨを取り囲む領域(略楕円形状の領域)が絞り開口の有効領域に相当することになる。このように絞られた絞り開口を複数の開口ＰＨで構成すれば、可変絞りＳＴを絞り込んでも絞り開口の有効領域の大きさ(つまり有効面積)の減少量は少ないので、通過する２次光源像の数の減少も抑えられる。したがって、簡単な構成でありながら、光線の透過領域を制限することなく透過光量を減らすことができる。例えば、絞り開状態(Ｂ)で可変絞りＳＴを通過する光量を１００とし、絞り開状態(Ｂ)での絞り開口の有効領域の大きさを１００とすると、絞り閉状態(Ｄ)で可変絞りＳＴを通過する光量は２５となり、絞り閉状態(Ｄ)での絞り開口の有効領域の大きさは４０〜５０となる。したがって、絞り込みの前後において、可変絞りＳＴを通過する光量の変化は７５％となり、絞り開口の有効領域の大きさの変化は５０〜６０％となる。
図６に、投影系に可変絞りを有する画像投影装置の実施の形態を横から見た状態で示す。図６において、１は光源、２はランプリフレクタ、６はカラーホイール、７はロッドインテグレータ、８はリレー光学系、９は可変絞り機構、１３は表示素子(ライトバルブ等)、１４は投影レンズ、１５はミラーである。可変絞り機構９としては、前述した具体例１〜４が好適に使用可能である(図２〜図５)。また、この画像投影装置では１灯式の照明系を採用しているが、図１に示す画像投影装置と同様の２灯式の照明系を採用してもよい。
光源１は、白色光を発する放電ランプ(例えば、超高圧水銀灯)から成っている。ランプリフレクタ２の反射面は楕円面から成っており、その焦点位置に光源１が配置されている。つまり、ランプリフレクタ２は、光源１から発せられた光を集光して２次光源を形成する楕円面鏡(集光光学系)であり、光源１からの光束はランプリフレクタ２での反射によりそれぞれ収束光となって射出する。なお、収束光の結像位置はロッドインテグレータ７の入射端面(又はその近傍)である。
ランプリフレクタ２から射出した収束光は、カラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーホイール６に入射する。カラーホイール６は、表示素子１３をカラーシーケンシャル方式で照明するためのカラーフィルターから成っている。例えば図７に示すように、Ｒ(赤色)・Ｇ(緑色)・Ｂ(青色)の色光をそれぞれ透過させるカラーフィルターで構成されている。このカラーホイール６を回転させると、照明光透過位置のフィルター部分が回転移動して、照明する色光が時間的に順次切り替わる。したがって、各色に対応した画像情報を表示素子１３に表示すれば、投影画像をカラー化することができる。
カラーホイール６を通過した光束は、ロッドインテグレータ７に入射する。ロッドインテグレータ７は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、その入射端面を２次光源近傍に有している。入射端面から入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ７の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて射出端面から射出する。ロッドインテグレータ７の入射端面と射出端面の形状は、表示素子１３の画像表示面と相似の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ７の射出端面は表示素子１３の画像表示面に対して共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により射出端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子１３は効率良く均一に照明されることになる。つまり、ロッドインテグレータ７での反射回数に応じて複数の２次光源像が形成され、リレー光学系８で重畳されることによって均質な照明が行われる。
なお、ロッドインテグレータ７は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子１３の画像表示面形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ７としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
ロッドインテグレータ７から射出した照明光は、リレー光学系８を通過した後、ミラー１５で反射され、表示素子１３の画像表示面に入射する。リレー光学系８は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ７の射出端面を表示素子１３の画像表示面上で結像させる。つまり、表示素子１３の画像表示面上にはロッドインテグレータ７の射出端面の像が形成されることになる。
表示素子１３の画像表示面では、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１３としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、使用される表示素子１３はこれに限らず、投影系に適した他の反射型の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子１３としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが可変絞り機構９を通過した後、投影レンズ１４に入射し、その結果、表示素子１３の表示画像がスクリーン上に拡大投影される。
投影系に設けられている可変絞り機構９は、表示素子１３の画像表示面で表示する画像の明るさに応じて、投影光量を高速でダイナミックに(例えば、人間による識別が不可能な高速で)変化させるための可変絞りを構成している。その可変絞りは、ロッドインテグレータ７で生成した複数の２次光源像の共役位置(又はその近傍)で光量を制限する。そして、可変絞り機構９は(例えばフレーム毎に)高速で動作し、画像信号が持つ画像の明るさに関する情報に基づいた絞りの開閉により、投影画像の明暗を変化させる。例えば、暗い場面のときは投影光量を減少させてしまりのある黒を表現し、明るい場面のときは投影光量を増加させてくっきりとした画面にする。場面に応じてダイナミックレンジを広くすることができるので、コントラスト感の良い映像表現が可能となる。なお、絞り位置は投影系と照明系とで共役になっており、そのため、可変絞り機構９の具体例１〜４を適用した場合の効果は、図１の場合と同様である。
この実施の形態では、投影レンズ１４に対して投影光が斜めに入射する。また、投影レンズ１４の最後部に絞り位置があり、そこにユニット化された可変絞り機構９が配置されている。このような構成の場合、熱に対する信頼性のある反射率の高い絞り羽根を用いても、その反射光は表示素子１３の方には戻らず、迷光やゴーストの原因にならない。
可変絞り機構９において、絞り羽根は略上下方向に移動するように配置されている。上下方向は、表示素子１３の表示画面又はロッドインテグレータ７の入射出端面において、その長辺から絞り羽根が進入する方向である。この方向はロッドインテグレータ７での反射回数が多く、２次光源像の数も多いので、照度分布の比較的良好な方向である。したがって、この方向からの方が絞り途中での照度の不均一が目立ちにくいため望ましい。
次に、前述した画像投影装置の実施の形態(図１，図６)に用いられているカラーホイール６(図７)の分光特性を説明する。図８に、カラーホイール６の分光透過率を示す。図８において、ＴＲはＲ(赤色)のカラーフィルターの透過率曲線、ＴＧはＧ(緑色)のカラーフィルターの透過率曲線、ＴＢはＢ(青色)のカラーフィルターの透過率曲線をそれぞれ示している。カラーホイール６は、３原色に対応したＲ・Ｇ・Ｂの色光をそれぞれ透過させるカラーフィルターで構成されているが、このカラーホイール６の場合、本来透過させるＲ・Ｇ・Ｂ以外の波長域にも透過特性を持たせることにより、ＳＭＰＴＥ２９６の標準色度を得ている。
透過率曲線ＴＲから分かるように、Ｒ(赤色)のカラーフィルターは、６００ｎｍ以上の波長を透過させ、６００ｎｍ以下の波長を反射させるが、さらに４１０ｎｍ以下の波長を透過させる。透過率曲線ＴＧから分かるように、Ｇ(緑色)のカラーフィルターは、４８０ｎｍから５６０ｎｍの波長を透過させ、それ以外の波長を反射させるが、さらに６３０ｎｍ以上の波長を透過させる。また、透過率曲線ＴＢから分かるように、Ｂ(青色)のカラーフィルターは、５１０ｎｍ以下の波長を透過させ、５１０ｎｍ以上の波長を反射させるが、さらに６６０ｎｍ以上の波長を透過させる。こうすることにより、各色の色度座標：Ｒ(ｘ，ｙ)＝(0.640，0.330)，Ｇ(ｘ，ｙ)＝(0.300，0.600)，Ｂ(ｘ，ｙ)＝(0.150，0.060)を実現している。このように、元々の透過域に含まれない波長を透過させることにより、目標とする色度値の色を得ることができる。
光源として超高圧水銀ランプやメタルハライドランプを使用するときは、５８０ｎｍの輝線が色表現上邪魔になるため、それをイエローカットフィルターで除去したりする必要がある。しかし、イエローカットフィルターが余分に必要になるため、コストアップを招いてしまう。また、輝線を避けてＲ・Ｇ・Ｂのカラーフィルターを設定した場合には、各単色で所望の色度値が得られなくなる。所望の色度値を得るため、輝線にかかるような透過帯に設定すると、製造バラツキによる色度バラツキや明るさバラツキが大きくなる。上記のようにカラーホイールを構成するカラーフィルターの少なくとも一部に、元々の原色光以外の透過帯を設ければ、所望の単色の色度値が得られ、製造誤差の影響も受けにくいカラーホイールが得られる。
上記カラーホイールのカットオフ波長(透過率が５０％となる波長)を、色度値変化が±０．０１以内となるカットオフ値の範囲に設定することが好ましい。例えば、Ｒのカラーフィルターの場合、５９６〜６０４ｎｍ以上の波長を透過させ、５９６〜６０４ｎｍ以下の波長を反射させるが、さらに４０２〜４１４ｎｍ以下の波長を透過させるのが好ましい。Ｇのカラーフィルターの場合、４７７〜４８３ｎｍから５５３〜５６４ｎｍの波長を透過させ、それ以外の波長を反射させるが、さらに６２６〜６３６ｎｍ以上の波長を透過させるのが好ましい。また、Ｂのカラーフィルターの場合、５０５〜５１５ｎｍ以下の波長を透過させ、５０５〜５１５ｎｍ以上の波長を反射させるが、さらに６４７ｎｍ以上の波長を透過させるのが好ましい(ただし、Ｂの長波長側の透過域は無くても色度値変化は０．０１以下である。)。なお、すべて上記のカラーフィルターを採用する必要はなく、要求される色度の許容値に応じて適宜採用すればよいが、採用の優先順位としてはＧ，Ｒ，Ｂの順が好ましい。
なお、上述した各実施の形態には以下の構成(#1)〜(#3)が含まれている。その構成によると、絞り込みの前後において、可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きい構成になっているため、可変絞りでの絞り込みを行っても、可変絞りを通過する２次光源像の数の、絞り込みに伴う減少が抑えられる。その結果、インテグレータによる均一照明の効果が保たれる。また、投影系のＦナンバーが大きくなって焦点深度が深くならないように、可変絞りでの絞り込みを行うことができるので、スクリーンに対して共役な面に近い光学部品にゴミ等が付着していても投影画面上では目立たなくなる。したがって、インテグレータによる均一照明の効果を残しながら可変絞りを効果的に機能させることができる。例えば、表示素子面で表示する画像の明るさに応じて投影光量をダイナミックに変化させる可変絞り機構を備えることにより、表示される映像シーンの明暗を強調して高コントラスト化を達成することが可能である。
(#1) 複数の２次光源像を生成するインテグレータと、前記２次光源像の共役位置又はその近傍で光量を制限する可変絞りと、を備えた画像投影装置であって、前記可変絞りが、固定開口を有するベース板と、前記固定開口への進入により絞り込みを行う絞り羽根と、から成り、前記絞り込みの前後において、前記可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きいことを特徴とする画像投影装置。
(#2) 前記絞り羽根において前記固定開口に進入する部分の少なくとも一部がＮＤフィルターの特性を有することを特徴とする上記(#1)記載の画像投影装置。
(#3) 前記絞り羽根により絞られた絞り開口の有効領域が複数の開口から成ることを特徴とする上記(#1)記載の画像投影装置。
照明系に可変絞りを有する画像投影装置の実施の形態を示す平面図。 可変絞り機構の具体例１を示す模式図。 可変絞り機構の具体例２を示す模式図。 可変絞り機構の具体例３を示す模式図。 可変絞り機構の具体例４を示す模式図。 投影系に可変絞りを有する画像投影装置の実施の形態を示す側面図。 カラーホイールのフィルター構成を示す平面図。 カラーホイールの分光透過率を示すグラフ。
符号の説明
７ ロッドインテグレータ
９ 可変絞り機構
ＳＴ 可変絞り
１３ 表示素子
１４ 投影レンズ
２１，２１Ａ，２１Ｂ アクチュエータ
２２，２７ ベース板
２２ａ，２７ａ 固定開口
２３，２４，２５，２６Ａ，２６Ｂ 絞り羽根
２４ａ 小開口
２５ａ 第１領域
２５ｂ 第２領域
２５ｃ 第３領域
ＰＡ，ＰＢ 鋸状部分
ＰＨ 開口

Claims (3)

  1. 複数の２次光源像を生成するインテグレータと、前記２次光源像の共役位置又はその近傍で光量を制限する可変絞りと、を備えた画像投影装置であって、
    前記可変絞りの絞り込みの前後において、前記可変絞りを通過する光量の変化が絞り開口の有効領域の大きさの変化よりも大きいことを特徴とする画像投影装置。
  2. 前記可変絞りの絞り開口の少なくとも一部がＮＤフィルターの特性を有することを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
  3. 前記可変絞りにより絞られた絞り開口が複数の開口から成ることを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
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