JP2007286391A - 照明装置、照明方法及び照明装置を用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ライトバルブを照明する照明装置を用いて、明るさや色ムラが少ない高画質映像と、高コントラストを実現できる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】光源２１と反射鏡２２から成る光源系と、当該光源系から射出された光束をライトバルブ２８に照明するためのフライアイレンズ２５，２６と、当該光束を開口領域の大きさを変化させてライトバルブ２８に照射する光量を調整する可変絞り器１１と、を備え、フライアイレンズ２５，２６は、光束を分割する複数のマイクロレンズからなり、
可変絞り器１１は、それぞれ所定の位置に開口部を有し一辺を回転主軸として観音開きする一対の矩形状の遮光板からなり、最大絞り時には、前記一対の遮光板に形成される開口領域を通じて前記マイクロレンズにより分割される複数の光束の中の所定のマイクロレンズを通過した光束を有効とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、高コントラストと照明光の均一性を実現する可変絞りの技術に係わり、映像表現力の優れた照明装置およびこれを用いた投射型表示装置に関するものである。

プロジェクタ等の投射型表示装置には、小型、薄型、軽量といった形状、デザインに関わる特徴のみならず、本来の目的である映像を表示する装置として色の再現性や高輝度、高コントラストといった映像表現力が求められている。加えて、近年の情報映像機器の発達はめざましく、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。なかでも画面の対角長が４０インチを超える大型の投射型表示装置が広く利用されており、前述の映像表現力に加えて、価格競争力が重要な位置づけを占めるようになってきた。投射型表示装置は、直視型ＣＲＴ（陰極線管）方式画像表示装置と比較すると、映画やスポーツの試合等を大迫力かつ高い臨場感で鑑賞することができるといった利点がある。投射型画像表示装置は、スクリーンに光を投射する方式によってフロント投射方式とリア投射方式とに大別されるが、いずれも大画面化が容易なため、プレゼンテーション用途等にフロントプロジェクタが、家庭シアター用途等にリアプロジェクタが普及してきている。

いずれの投射方式も投射光を発生する光学エンジン部分の構成は類似しており、一例としては、光源からの光を照明装置を通してライトバルブに照射するとともに、ライトバルブにより画像パターンを形成し、この画像パターンの形成された光線を投射光学系によりスクリーンに投射するものがある。これらプロジェクタのライトバルブとして、従来はＣＲＴが利用されてきたが、近年においては、高輝度、高精細化の要求と共に、これら要求性能を鑑みた場合のライトバルブとして、液晶パネルや、多数のマイクロミラーを実装配列して、マイクロミラーの角度を変えることにより光変調を行うＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス、例えば特開平１０―７８５５０号公報参照）の利用が主流となっている。

ところで投射型画像表示装置は、高画質表示において、現状では直視型ＣＲＴ画像表示装置の画質に達していない部分もあり、それはコントラストである。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以上のコントラストを実現している。一方、投射型画像表示装置としてのコントラストは主にライトバルブの特性で決定され、液晶パネルの場合、約５００：１程度であり、ＤＭＤの場合約１５００：１程度である。このコントラストの低さは、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の場合には反射光がスクリーン上に投射されて本来の暗い状態が浮いてしまうことに一因がある。大迫力かつ高い臨場感で投写表示を行うためには、画像のハイライト部分は一層明るく、逆に暗い部分は一層暗く、各フレーム毎に明るさが任意に変化する映像入力に対して明暗の応答性が高く、また画面各部の明るさバラツキが少なく表示されることが望ましい。

画像を明るく表示する方法としては、明るい光源を使用する等の方法があるが、一方、光学エンジンの投写する光の白黒の強度比であるコントラストは、ライトバルブの消光特性や光学要素やこれらを保持する機構要素での反射光により発生する迷光等が要因で無限にはできず、例えば前述のように液晶パネルの場合、約５００：１程度であり、ＤＭＤの場合約１５００：１程度になっているので、画像のハイライト領域を十分に明るく表示するために例えば上記にように光源を明るくすると、暗い画像もそれにつれて明るくなってしまい、結果的に明るい光源を使用しただけでは画像のコントラストを向上させることはできなかった。つまり、投射型画像表示装置には、明るさや色のムラが少ない映像を保ちながら、さらなる高コントラストを実現できる技術が必要とされている。

一般に、投射型画像表示装置には、均一な明るさで画像表示する方法として、光インテグレータを使用することによる方法として、光源からの入射光束を複数のレンズで構成された第１のフライアイレンズによって複数の光束に分割し、これら分割された複数の光束を第２のフライアイレンズによってライトバルブを重畳照明するインテグレータ光学系が、例えば特許文献１に開示されている。

次に、暗い画像を一層暗く表示する方法としては、映像シーンに適応した調光手段を設けることが考えられる。そこで、光源からの光の進路に絞りを設けることが用いられている。光源から射出された光をフライアイレンズによって複数の光束に分割し、これらの光束の一部又は全部を遮光板の平面部によって遮光することで照明光量を調節する。この際、調光状態において部分的に遮光された光束が複数存在し、これらの部分的に遮光された全ての光束の中心部が遮光板によって同時に遮光されないようにする技術が例えば特許文献２に開示されている。

上述の特許文献２に示された照明装置には、光源と、上記光源から射出された光を複数の光束に分割し、これらの光束を被照明領域において重畳する一対のフライアイレンズと、各光束の一部又は全部を遮光することで上記光源からの射出光の光量を調節する調光手段とを備え、光源の前面にフライアイレンズと矩形の遮光板が備えられている。フライアイレンズはそれぞれ矩形のマイクロレンズが配列された構造を有し、光源から射出された光は第１のフライアイレンズの各マイクロレンズによって複数の光束に分割され、これらの光束がそれぞれ対応する第２のフライアイレンズのマイクロレンズにより被照明領域（ライトバルブ）において重畳されることで、照明光の照度分布が均一化される。

調光手段の具体的な形態としては、例えば上記調光手段が、上記光束群全体の中心線（光軸）を挟む位置に配置された一対の２枚の遮光板からなり、各遮光板がその主面と平行な方向に延在する回動軸を中心として回動可能に構成され、これらの遮光板の回動量に応じて各光束の一部又は全部を遮光可能とされたものを用いることができる。これらの遮光板は、光源側から順に配置された第１ のフライアイレンズと第２ のフライアイレンズとの間、又は、第２ のフライアイレンズの射出側に配置することができる。

各遮光板は、初期状態（ 調光を行なわない状態）において照明光の光路外に配置され、その主面は光軸に平行に保たれている。一方、調光を行なう場合には、遮光板はそれぞれ回動軸の回りに等しい角度で回動され、照明光の一部を遮光する。このような照明装置では、映像の明るさを連続的に変化させるために照明光量は遮光板の回動量θ に対して滑らかに変化することが望ましく、光量を連続的に変化させるために、レンズ列Ａ１とレンズ列Ａ２の中心線が別々のタイミングで遮光される。或いは、レンズ列Ａ１又はレンズ列Ａ２を構成する各マイクロレンズの中心部Ｃ が別々のタイミングで遮光されるようにすることで照明光量の変化を最小限に抑えることができる。すなわち、調光状態において部分的に遮光された光束が複数存在し、上記調光手段はこれらの部分的に遮光された全ての光束の中心部を同時には遮光しないことを特徴としている。部分的に遮光された複数の光束の中心部は、それぞれ別々のタイミングで遮光される、或いは、幾つかずつ別々のタイミングで遮光される。このため、これらの中心部Ｃが全て同時に遮光されるものに比べて、光量変化が小さくなり、照明光量を滑らかに変化させることができることと、複数の光束がそれぞれ異なった明るさ分布を成し、それらがライトバルブ上に重畳されることで、ばらつきが軽減された均一な明るさを得ることができる。
特開平３−１１１８０６号公報 特開２００５−１０３５４号公報（１５頁、図２）

しかしながら、特許文献２に示す従来の構成では次のような課題がある。

前述のように光学エンジンの投写する光の白黒の強度比であるコントラストは、ライトバルブの消光特性や光学要素やこれらを保持する機構要素での反射光により発生する迷光等が要因で無限にはできず、液晶パネルの場合、約５００：１程度であり、ＤＭＤの場合約１５００：１程度になっている。これに対して、表示装置に求められるコントラストは１００００：１を超える場合もある。このようなハイコントラストを投射型画像表示装置において、遮光板を用いた調光によって実現するためには、光量を６分の１から２０分の１程度まで遮光し、開口領域を小さくする必要が生じてくる。このように開口領域を小さくした場合には、フライアイレンズを用いたインテグレータ光学系における分割された光束のうち大部分が遮光されて、ライトバルブを照明する有効光束が幾つかの限られた分割光束となる。このような場合には、インテグレータ光学系の基本原理である、様々な照度分布を持った複数の光束を重畳してライトバルブを均一に照明する事ができなくなり、照明ムラが発生する。また、ライトバルブと共役にある第１のフライアイレンズ上の埃、傷等の欠点の像が、ライトバルブに写り映像を阻害する。

また、光源から出射されて反射鏡で反射されたのちに第１のフライアイレンズに入射する光線は図９のような強度分布を持っている。図９は従来の照明装置における第１のフライアイレンズへの入射光束の強度分布を示す図である。図９（ａ）は強度を示す等高線図である。図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ軸、Ｙ軸断面での強度を示す図である。光軸（中心部）に近いほど強度は強くなっており、図９の第１象限のすべてのマイクロレンズでは、左下ほど入射光束の強度が強い。第２象限のすべてのマイクロレンズでは、右下ほど強い。同様に、第３象限では、右上、第４象限では左上ほど強い。光線が遮光板によって調光されていない状態では、すべてのマイクロレンズが有効であるから、ライトバルブを重畳して照明するさいには、それぞれ光軸に対して対称な位置にあるマイクロレンズが強度分布を互いに打ち消しあって、均一な強度分布の状態が得られる。可変絞りを設置している第２のレンズアレイ近傍においても光軸付近の光線は強度が強くなっている。そのため光軸近傍の開口領域を広く取ると、遮光量を十分に大きくする事は困難となる。これを阻止する目的で光軸近傍の開口領域のみを狭めてしまうと、ライトバルブを照明する領域は、第１のフライアイレンズと共役な関係にあるため、開口領域の縦方向と横方向の大きさにライトバルブのアスペクト比と比較して大きな差異がある場合には、第１のフライアイレンズの各マイクロレンズの任意像高毎に開口領域を見込むＦナンバーに大きな差異が生じて、照明ムラが発生する。

ここで、前述の背景技術において述べたように、投射型画像表示装置には、明るさや色のムラが少ない映像を保ちながら、さらなる高コントラストを実現できる技術が必要とされている。すなわち従来の構成では、さらなる高コントラスト化にあたっての照明ムラという課題を有していた。

従来の課題を解決するために、本発明の照明装置は、光源と反射鏡から成る光源系と、前記光源系から射出された光束をライトバルブに照明するためのフライアイレンズと、当該光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する可変絞り器と、を備え、前記フライアイレンズは、光束を分割する複数のマイクロレンズからなり、前記可変絞り器は、それぞれ所定の位置に開口部を有し一辺に平行な軸を回転主軸として観音開きする一対の矩形状の遮光板からなり、最大絞り時には、前記一対の遮光板に形成される開口領域を通じて前記マイクロレンズにより分割される複数の光束の中の所定のマイクロレンズを通過した光束を有効としたものであり、照明むらをなくし、所望のコントラストを実現するものである。

また、本発明の照明方法は、光源と反射鏡から成る光源系から射出された光束をライトバルブに照明するためのフライアイレンズと当該光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する可変絞り器とを備える照明光の照明方法において、前記可変絞り器は、それぞれ所定の位置に開口部を有し一辺に平行な軸を回転主軸として観音開きする一対の矩形状の遮光板を回動させて可変絞りし、最大絞り時には、前記一対の遮光板に形成される開口領域を通じて前記マイクロレンズにより分割される複数の光束の中の所定のマイクロレンズを通過した光束を有効としたものである。

本発明の照明装置によれば、可変絞りによってライトバルブを照明する有効光束の開口面積が最小になった際に、インテグレータ光学系によって分割された複数の光束のうち比較的通過光束量の少ない任意光束の任意部分を選択的に有効として、フライアイレンズのマイクロレンズを選択的に使用することで、遮光量が多い暗い画面状態においても有効マイクロレンズ数を多く取ることが可能である。その結果、インテグレータ光学系の基本原理である複数のマイクロレンズを重畳してライトバルブを照明することが出来、照明ムラが発生しにくい。

また、マイクロレンズの傷や埃等の像が投影画像に写りにくくして映像欠点の発生を防ぐことが出来る。

また、開口領域の面積を大きく取る事が可能であるから、遮光板と光軸の相対的位置ズレや、遮光板の開口領域の大きさの製造上バラツキによる遮光量のばらつきを小さく抑える事が可能であり、所望のコントラストを提供することが出来る。

また、本発明の照明装置によれば、照明領域であるライトバルブにおける照明光の照度分布の均一化を簡素な構成にて提供することが出来ると共に、高精度の照明光量変化の実現が可能な投射型表示装置を提供することが出来る。

以下に、本発明の照明装置を備えた投射型表示装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１から図７を参照しながら、本発明の請求項１から請求項８および請求項１０から１２に記載の照明装置および投射型表示装置について説明する。本実施例の投射型表示装置は、光源に超高圧水銀灯を用い、光源の反射面に楕円面鏡を用い、色付け手段としてカラーホイールを用い、インテグレータ光学系にフライアイレンズを用い、ライトバルブにはＤＭＤを用いた場合の構成例である。

図１は本発明の実施例１における照明装置を用いた投射型画像表示装置の概略構成を示す側面図である。図１を用いてその概略構成を簡単に説明する。

図１において、２２は楕円面鏡であり、その第１焦点位置に光源２１が配置されている。光源２１から射出された光束は、楕円面鏡２２によって反射されてカラーホイール２３が設置された第２焦点位置近傍に集光される。集光された光束はカラーホイール２３を構成する赤、緑、青に分割された回転式のカラーフィルタを通過することによってそれぞれの色に時分割される。第２焦点近傍を通過した光束は収束光から発散光へとなり、所定の光束径になったところでカラーホイール２３の後方に設置された凸レンズ２４を用いて平行光になされ、第１フライアイレンズ１５に入射する。ここでの光束径は照明光学系の射出瞳径にほぼ等しい大きさになっている。第１フライアイレンズ２５に入射した光束は、図９にて示したように、光軸から離れて周辺に行くほど光束量が減少して暗くなっている。

図２は本発明の実施例１における照明装置において使用される一般的なフライアイレンズの正面図である。図２において、マイクロレンズの末尾数字はマイクロレンズの中心を原点とし、水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸としたさいに、第１象限にある場合は末尾に１を添え、第２象限にある場合は末尾に２、同じく第３象限には３（図示せず）、第４象限には４（図示せず）を添えている。図２において、第１フライアイレンズ２５上にはＤＭＤ２８の有効領域とほぼ相似形状の開口領域を持つマイクロレンズ２５ａ１、２５ｂ１、・・・が複数個配列されており、入射光束を複数に分割している。

マイクロレンズ２５ａ１、２５ｂ１、・・・はそれぞれのマイクロレンズに入射した光束が、それぞれのマイクロレンズに対応する第２フライアイレンズ２６のマイクロレンズ２６ａ１、２６ｂ１、・・・を通過するようになされており、マイクロレンズ２６ａ１、２６ｂ１、・・・上には光源２１の像が形成されている。つまり、楕円面鏡２２、凸レンズ２４、第１フライアイレンズ２５の光学要素の作用によって、光源２１と第２フライアイレンズ２６とが共役関係にある。

また、第２フライアイレンズ２６を通過した光束は凸レンズ２７によってＤＭＤ２８上に集光され、ＤＭＤ２８上にマイクロレンズ２５ａ１、２５ｂ１、・・・の開口領域の像を結像させる。つまり、第２フライアイレンズ２６と凸レンズ２７の光学要素の作用によって第１フライアイレンズ２５とＤＭＤ２８とが共役関係にある。

凸レンズ２７の作用は、各マイクロレンズ２６ａ１、２６ｂ１、・・・の中心をＤＭＤ２８中心に一致させて、第１フライアイレンズ２５のマイクロレンズ２５ａ１、２５ｂ１、・・・像が、ＤＭＤ２８上に重ね合わせられる作用をなす。

ここで、凸レンズ２７の代替手段として、マイクロレンズ２６ａ１、２６ｂ１、・・・のそれぞれの曲率中心座標を偏芯させることもでも機能上障害無く構成可能であり、この場合は、凸レンズ２７を省略することが可能であるが、いずれの場合でも本発明の構成、作用、効果が変わるものではない。

ＤＭＤ２８は、独立して所定の角度回転動作を行う複数のマイクロミラー(図示せず)が実装されている。マイクロミラーはスクリーン３０上に投射されるピクマイクロレンズ(図示せず)に対応している。マイクロミラーは、照明装置からの入射光がマイクロミラーに反射して投射レンズ２９に入射しスクリーン３０に到達するＯＮ状態と、照明装置からの入射光を投射レンズ２９に入射させないＯＦＦ状態との２つの状態を持つ。投射型表示装置に入力される画像情報に応じて、各ピクセルに対応するマイクロミラーの状態をＯＮとＯＦＦに切り替えて、色、明るさのイメージを形成する。ＤＭＤ２８での光線拡散性や、照明光学系を構成する光学要素やこれらを保持する機構要素での反射光により発生する迷光等が要因でコントラストは約１５００：１程度になっている。画像のハイライト領域を十分に明るく、暗いシーンではより沈んだ黒を表現するために、映像シーンの明るさに応じてＤＭＤ１８を照明する光束量を相対的に低減させる為の可変絞り器１１を備えている。

本発明の実施例１の構成を示す図１においてこの可変絞り器１１は凸レンズ２７のＤＭＤ２８側に設けられ、２枚の遮光板１２ａ、１２ｂを備えている。

可変絞り器１１は、２枚の遮光板１２ａと１２ｂを光軸方向と垂直な軸を中心に回動し観音開きの開閉動作して光束を遮光することで照明光量を調節する。即ち、可変絞り器１１は、それぞれ所定の位置に開口部を有し一辺に平行な軸を回転主軸として観音開きする一対の矩形状の遮光板からなり、最大絞り時には、フライアイレンズを構成するマイクロレンズにより分割される複数の光束の中の所定のマイクロレンズを通過した光束を有効とする。

その動作形態は、遮光板１２ａ、１２ｂの主平面が光軸２０とほぼ垂直となって、遮光板１２ａ、１２ｂが凸レンズ２７を通過した光束を最大量遮光する状態と、遮光板１２ａ、１２ｂの主平面が光軸２０とほぼ平行になって、凸レンズ２７を通過した有効光束の一部も遮光しない２つの状態を少なくとも有している。遮光板１２ａ、１２ｂの回転主軸は、光軸と略垂直な面内にあり、望ましくは凸レンズ２７を通過した光束外に配置されており、遮光板１２ａ、１２ｂを回動主軸周りに回転させて、この回転角度に応じた開口領域の変化をもたらすことで、任意の遮光量が可能な構成となり、投影画像シーンに応じて、ＤＭＤ２８を照明する所望の光束量を実現可能としている。

本発明の実施例１において、最大の特徴を図３を用いて説明する。図３は本発明の実施例１における最大遮光状態における絞り位置での有効光束を示す図である。図３（ａ）は、遮光板１２ａ、１２ｂに入射するすべての光束を示し、図３（ｂ）は、遮光板１２ａ、１２ｂの開口部１４ａと１４ｂを通過する有効光束のみを示したものである。いずれも遮光板１２ａ、１２ｂとの位置関係を示す為、遮光板１２ａ、１２ｂも示している。本発明の実施例１の最大の特徴とするところは、遮光板１２ａ、１２ｂが凸レンズ２７を通過した光束を最大量遮光する状態、つまり遮光板１２ａ、１２ｂが有効光束の開口面積を最小とする際に、開口面積が複数の領域に分割された構成をなし、第１フライアイレンズ２５によって分割された複数の光束のうちＤＭＤ２８を照明する総光束量に対して寄与率が比較的少ない添え字ｃのマイクロレンズを有効としていることである。さらに、開口領域１４ａと１４ｂは遮光板１２ａ、１２ｂによって周囲を囲まれた閉領域となっていることである。

次に、本発明の実施例１における作用および効果について図４ないし図５を用いて説明する。図４は、本発明の実施例１における可変絞り器１１の可変絞り位置における光束分布を示した図である。図４（ａ）は光束分布を示した図であり、遮光板１２ａ、１２ｂが光軸２０とほぼ垂直となる最大遮光状態での、遮光板の動作位置におけるものである。

既に述べたが、照明装置の射出瞳近傍に位置する第２フライアイレンズ２６（図２参照）を構成するそれぞれのマイクロレンズ上には光源２１の像が形成されている。照明装置の射出瞳はおおむね第２フライアイレンズ２６と凸レンズ２７の間にあり、照明装置の射出瞳位置での光束分布と、可変絞り器１１がその開口領域を最小とする状態での遮光板１２ａ、１２ｂの位置における光束分布とはほぼ等しい分布状態になっている。

図４（ｂ）は、それぞれの添え字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅのマイクロレンズを通過するそれぞれの光束がＤＭＤ２８を照明する総光束に対する占有率を示した図であり、本実施例ではマイクロレンズ形状が軸対称の構成になっている為、第１象限から第４象限までの全てのマイクロレンズを５つの種類で識別して示すことができる。ここでは図２と図４の両方を参照すれば、第１フライアイレンズ２５の光軸近傍のマイクロレンズを通過した光束量が極めて大きいことが分かる。例えば添え字ａのマイクロレンズでは、５０（％）をなし、添え字ｂのマイクロレンズでは２５（％）をなしている。例えば遮光手段無しの状態で１５００：１のコントラストをなす投射型表示装置において、１５０００：１のコントラストを実現するためには、更に、照明光量を概略１０分の１に小さくする必要がある。

この場合、本発明の実施例１において最大の特徴である遮光板１２ａ、１２ｂが、第１フライアイレンズ２５によって分割された複数の光束のうち、光軸近傍の添え字ａ、ｂの光束量の多い分割光束を遮光して、光軸から離れた添え字ｃのマイクロレンズを通過した比較的光束量の少ない分割光束を選択的に有効とすることによって、容易に所望の光束量を得ることが可能である。図４（ｂ）より、添え字ｃのマイクロレンズはＤＭＤ２８を照明する総光束量にたいして１０（％）の寄与率であるから、照明光量を所望の１０分の１とすることが可能である。さらに、開口部１４ａ、１４ｂが遮光板１２ａ、１２ｂによって周囲を囲まれた閉領域となっている事で、周辺部からの不要光入射を防いで必要とする光束のみを有効として、コントラストの低下を防ぐ事が可能となる。即ち、遮光板１２ａ、１２ｂは、矩形状の平面にマイクロレンズに対応した所望の光束量が通過するエリアに開口部を設ける構成としている。

このときのＤＭＤ２８上での照明光束量の分布を図５に示す。図５は本発明の実施例１におけるＤＭＤ上での照明光束量の分布を示す図である。図５（ａ）は最大遮光状態を示し、図５（ｂ）の縦軸は、照明光束量を示し、光束量のバラツキを示す。図５（ｃ）は遮光しない状態を示す。図５（ｄ）は、遮光しない状態での光束量のバラツキを示す。本発明の実施例１においては、図３に示すように照明光束量を１０分の１まで低下させても、４つのマイクロレンズ２５ｃ１、２５ｃ２、２５ｃ３、２５ｃ４を有効とすることで、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように容易に均一性の高い照明を実現することが可能であると共に、マイクロレンズの傷や埃等の像が投影画像に写りにくくして映像欠点の発生を防ぐことが出来る。

また、比較的照明光束量の少ないマイクロレンズを選択し使用することで、開口１４ａ、１４ｂの領域の面積を大きく取る事が可能であるから、遮光板１２ａ、１２ｂの開口１４ａ、１４ｂと光軸２０の相対的位置ズレや、遮光板１２ａ、１２ｂの開口１４ａ、１４ｂの領域の大きさの製造上バラツキによる遮光量のばらつきを小さく抑える事が可能であり、所望のコントラストを提供することが出来る。

即ち、遮光板１２ａ、１２ｂの最大遮光状態である最大絞り時に、図３、図４に示すように、フライアイレンズ中心に隣接するマイクロレンズ１３ａ１、１３ａ２、１３ａ３、１３ａ４以外のマイクロレンズを通過する光束を有効とすることにより、光束量のバラツキを小さくするとともに、所望のコントラストの照明装置を実現することができる。

また、本発明の照明装置によれば、照明領域であるライトバルブにおける照明光の照度分布の均一化を簡素な構成にて提供することが出来ると共に、高精度の照明光量変化の実現が可能な投射型表示装置を提供することが出来る。

また、本発明の実施例１においては、添え字ｅのマイクロレンズを有効としたが、本発明の範囲はこれに限定するものではなく、所望の照明光束量を実現する範囲において任意のマイクロレンズ位置を通過する光束を有効とするための開口位置、面積、形状が任意に選択できるものである。

例えば図６に示すように、第１フライアイレンズ２５によって分割された複数の光束のうち、特定の光束を全て使用するのではなく、添え字ａ、ｂ、ｃのマイクロレンズを通過した一部のみを複数のマイクロレンズに渡って使用することも可能である。

図６は、本発明の実施例１における最大遮光状態における絞り位置での有効光束を示す別の形態図である。この場合の望ましい遮光形態としては、遮光板１２ａ、１２ｂが最大遮光状態にあるさいに、遮光板１２ａ、１２ｂが遮光するそれぞれの単一の光束における最大光束部を遮光しており、開口部１４ａ、１４ｂを通過するのはそれぞれの単一の光束において比較的光束量が少ない部分を選択的に使用しているものである。この場合も図５に示した光束分布とほぼ同様な分布が得られるものである。これによって、でできるだけ多くの分割光束を有効とし、インテグレータ光学系の基本原理である複数の分割光束を重畳して、より均一性の高い照明を実現することを可能としている。

また、図７に示すように遮光板１２ａ、１２ｂが凸レンズ２７を通過した光束を最大量遮光する状態、つまり遮光板１２ａ、１２ｂが有効光束の開口面積を最小とする際に、より確実に所望の光束のみを有効とするために、２枚の一対の遮光板１２ａ、１２ｂを光軸方向に異なった位置に在るように設置して、２枚の遮光板１２ａ、１２ｂを重ね合わせる構成が有効である。図７は本発明の実施例１における２枚の遮光板の設置位置を示す図である。

また、本発明の実施例１において、ライトバルブにＤＭＤ１８を例示したが、これに限定するものではなく例えば液晶パネルでも良く、その場合には一般的な液晶パネルを用いた投射型表示装置の構成にもとづいて、好適な光学要素の構成を取ることが可能である。

以上、説明したように、可変絞り器１１によって有効光束の開口面積が最小になった際に、インテグレータ光学系の複数の光束のうち比較的光束量の少ない任意光束の任意部分を選択的に有効とすることで、遮光量が多い暗い画面状態においても有効マイクロレンズ数を多く取ることが可能である。その結果、インテグレータ光学系の基本原理である複数のマイクロレンズを重畳してライトバルブを照明することが出来、照明ムラが発生しにくい。また、マイクロレンズの傷や埃等の像が投影画像に写りにくくして映像欠点の発生を防ぐことが出来る。

図２、図４、図５および図８を参照しながら、本発明の請求項９から請求項１２に記載の照明装置および投射型表示装置について説明する。本実施例の投射型表示装置は、光源に超高圧水銀灯を用い、光源の反射面に楕円面鏡を用い、色付け手段としてカラーホイールを用い、インテグレータ光学系にフライアイレンズを用い、ライトバルブにはＤＭＤを用いた場合の構成例であり、概略は図１に示す本発明の実施例１における照明装置を用いた投射型画像表示装置と同様であるから、ここではその説明については省略する。

本発明の実施例２において、最大の特徴を図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施例２における最大遮光状態における絞り位置での有効光束を示す図である。図８（ａ）は、遮光板１２に入射するすべての光束を示し、図８（ｂ）は遮光板１２ａ、１２ｂの開口部１４ａ、１４ｂを通過する有効光束のみを示したものである。いずれも遮光板１２ａ、１２ｂとの位置関係を示す為、遮光板１２ａ、１２ｂも示している。本発明の実施例１の最大の特徴とするところは、遮光板１２が凸レンズ２７を通過した光束を最大量遮光する状態、つまり遮光板１２ａ、１２ｂが有効光束の開口面積を最小とする際に、開口面積が複数の領域に分割された構成をなし、第１フライアイレンズ２５によって分割された複数の分割光束のうちＤＭＤ２８を照明する総光束量に対して寄与率が比較的少ない光束を選択的に使用している事と、これを具現化するために遮光板１２ａ、１２ｂの回転中心軸１５が、ＸＹ軸に対して傾いて配置されていることである。

本発明の実施例２においては、図２のマイクロレンズとの対応も併せて参照すれば、第１象限と第３象限の添え字ｄ、ｅのマイクロレンズを２箇所づつ有効としていることが説明できる。さらに、開口領域１４ａ、１４ｂは、遮光板１２ａ、１２ｂによって周囲を囲まれた閉領域となっていることである。

実施例１と相違する点は、遮光板１２ａ、１２ｂの回転中心軸１５が、ＸＹ軸に対して傾いて配置して、図４に示すように、光軸から離れた添え字ｄ、ｅのマイクロレンズを通過した光束量の少ない分割光束を選択的に有効とすることである。

次に、本発明の実施例２における作用および効果について図４ないし図５を用いて説明する。図４は本発明の実施例２における可変絞り位置における光束分布を示した図である。

図４（ａ）は光束分布を示した図であり、遮光板１２ａ、１２ｂが光軸２０とほぼ垂直となる最大遮光状態での、遮光板１２ａ、１２ｂの動作位置におけるものである。既に述べたが、照明装置の射出瞳近傍に位置する第２フライアイレンズ２６（図２参照）を構成するそれぞれのマイクロレンズ上には光源２１の像が形成されている。照明装置の射出瞳はおおむね第２フライアイレンズ２６と凸レンズ２７の間にあり、照明装置の射出瞳位置での光束分布と、可変絞り器１１がその開口領域を最小とする状態での遮光板１２ａ、１２ｂの位置における光束分布とはほぼ等しい分布状態になっている。

図４（ｂ）は、それぞれの添え字ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅのマイクロレンズを通過するそれぞれの光束がＤＭＤ２８を照明する総光束に対する占有率を示した図であり、本実施例ではマイクロレンズ形状が軸対称の構成になっている為、第１象限から第４象限までの全てのマイクロレンズを５つの種類で識別して示すことができる。ここでは図２と図４の両方を参照すれば、第１フライアイレンズ２５の光軸近傍のマイクロレンズを通過した光束量が極めて大きいことが分かる。例えば添え字ａのマイクロレンズでは、５０（％）をなし、添え字ｂのマイクロレンズでは２５（％）をなしている。例えば遮光手段無しの状態で１５００：１のコントラストをなす投射型表示装置において、１５０００：１のコントラストを実現するためには概略１０分の１以下まで照明光量を小さくする必要がある。

この場合、本発明の実施例１において最大の特徴である遮光板１２が、第１フライアイレンズ２５によって分割された複数の光束のうち光軸近傍の添え字ａ、ｂの光束量の多い分割光束を遮光して、光軸から離れた添え字ｄ、ｅのマイクロレンズを通過した比較的光束量の少ない分割光束を選択的に有効とすることによって、容易に所望の光束量を得ることが可能である。

図４（ｂ）より、添え字ｄのマイクロレンズはＤＭＤ２８を照明する総光束量にたいして１０（％）の寄与率であり、添え字ｅのマイクロレンズはＤＭＤ２８を照明する総光束量にたいして５（％）の寄与率であるから、添え字ｄ、ｅのマイクロレンズを通過した光束を２つづつ有効とする場合は、照明光量を所望の４０分の３とすることが可能である。さらに、開口部１４ａ、１４ｂが遮光板１２によって周囲を囲まれた閉領域となっている事で、周辺部からの不要光入射を防いで必要とする光束のみを有効として、コントラストの低下を防ぐ事が可能となる。

このときのＤＭＤ２８上での照明光束量の分布は、実施例１の場合と同様の結果８（図５参照）が得られる。

本発明の実施例２においては、図３に示すように照明光束量を４０分の３まで低下させても、４つのマイクロレンズ２５ｄ１、２５ｅ１、２５ｄ３、２５ｅ３を有効とすることで、図５（ａ）のように容易に均一性の高い照明を実現することが可能であると共に、マイクロレンズの傷や埃等の像が投影画像に写りにくくして映像欠点の発生を防ぐことが出来る。また、比較的照明光束量の少ないマイクロレンズを使用することで、開口１４ａ、１４ｂの領域の面積を大きく取る事が可能であるから、遮光板１２ａ、１２ｂの開口１４ａ、１４ｂと光軸２０の相対的位置ズレや、遮光板１２ａ、１２ｂの開口１４ａ、１４ｂの領域の大きさの製造上バラツキによる遮光量のばらつきを小さく抑える事が可能であり、所望のコントラストを提供することが出来る。

また、本発明の照明装置によれば、照明領域であるライトバルブにおける照明光の照度分布の均一化を簡素な構成にて提供することが出来ると共に、高精度の照明光量変化の実現が可能な投射型表示装置を提供することが出来る。

また、本発明の実施例２においては、第１象限と第３象限の添え字ｄ、ｅのマイクロレンズを有効としたが、本発明の範囲はこれに限定するものではなく、所望の照明光束量を実現する範囲において任意のマイクロレンズ位置を通過する光束を有効とするための開口位置、面積、形状が任意に選択できるものである。

また、本発明の実施例１と同様、図８に示すように遮光板１２ａ、１２ｂが凸レンズ２７を通過した光束を最大量遮光する状態、つまり遮光板１２が有効光束の開口面積を最小とする際に、より確実に所望の光束のみを有効とするために、２枚の一対の遮光板１２を光軸方向に異なった位置に在るように設置して、２枚の遮光板１２ａ、１２ｂを重ね合わせる構成が有効である。

また、本発明の実施例２において、ライトバルブにＤＭＤ１８を例示したが、これに限定するものではなく例えば液晶パネルでも良く、その場合には一般的な液晶パネルを用いた投射型表示装置の構成にもとづいて、好適な光学要素の構成を取ることが可能である。

本発明にかかる照明装置および投射型表示装置は、明るさや色ムラが少ない映像と、高コントラストを高い応答性で実現できる高画質化の映像技術として有用である。

本発明の実施例１における照明装置を用いた投射型画像表示装置の概略構成図 本発明の実施例１における照明装置のフライアイレンズの正面図 本発明の実施例１における照明装置の最大遮光状態における絞り位置での有効光束を示す図 本発明の実施例１における照明装置の可変絞り位置における光束分布を説明するための図 本発明の実施例１における照明装置のＤＭＤ上での照明光束量の分布を示す図 本発明の実施例１における照明装置の最大遮光状態における絞り位置での有効光束を示す別の形態図 本発明の実施例１における照明装置の２枚の遮光板の設置位置を示す図 本発明の実施例２における照明装置の最大遮光状態における絞り位置での有効光束を示す図 従来の照明装置における第１のフライアイレンズへの入射光束の強度分布を示す図

符号の説明

１１ 可変絞り
１２ 遮光板
１３ 光束
１４ 開口
１５ 回動中心軸
２０ 光軸
２１ 光源
２２ 楕円面鏡
２２ａ 第１焦点
２２ｂ 第２焦点
２３ カラーホイール
２４ 凸レンズ
２５ 第１フライアイレンズ
２５ａ マイクロレンズ
２６ 第２フライアイレンズ
２６ａ マイクロレンズ
２７ 凸レンズ
２８ ＤＭＤ
２９ 投射レンズ
３０ スクリーン

Claims (11)

1. 光源と反射鏡から成る光源系と、
   前記光源系から射出された光束をライトバルブに照明するためのフライアイレンズと、
   当該光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する可変絞り器と、を備え、
   前記フライアイレンズは、光束を分割する複数のマイクロレンズからなり、
   前記可変絞り器は、それぞれ所定の位置に開口部を有し一辺に平行な軸を回転主軸として観音開きする一対の矩形状の遮光板からなり、最大絞り時には、前記一対の遮光板に形成される開口領域を通じて前記マイクロレンズにより分割される複数の光束の中の所定のマイクロレンズを通過した光束を有効とする照明装置。
2. 前記フライアイレンズは、前記ライトバルブと共役関係にある第１のフライアイレンズと、前記光源と共役関係にある第２のフライアイレンズとからなることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記一対の遮光板に形成される開口部は、最大絞り時において、
   前記フライアイレンズのマイクロレンズによって分割される複数の光束のうち、前記ライトバルブと共役関係にある第１のフライアイレンズ中心位置に隣接するマイクロレンズ以外のマイクロレンズを通過する光束を有効光束とすることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記一対の遮光板に形成される開口部は、最大絞り時において、
   前記フライアイレンズのマイクロレンズによって分割される複数の光束のうち、前記ライトバルブと共役にある第１のフライアイレンズを構成するマイクロレンズを通過する光束の最大光束部を遮光して有効光束とすることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
5. 前記一対の遮光板に形成される開口部は、最大絞り時において、
   前記フライアイレンズのマイクロレンズによって分割される複数の光束のうち、前記ライトバルブと共役にある第１のフライアイレンズを構成するマイクロレンズの中の光軸に隣接するマイクロレンズを遮光することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
6. 前記一対の遮光板に形成される開口部は、
   前記ライトバルブを照明する有効光束の開口面積が最小になる最大絞り時に、前記光源系の光軸に対し対称の位置にあることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
7. 前記一対の遮光板の回転主軸は、
   前記光源系からの照明光の光軸と所定の角度で傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
8. 光源と反射鏡から成る光源系から射出された光束をライトバルブに照明するためのフライアイレンズと当該光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する可変絞り器とを備える照明光の照明方法において、
   前記可変絞り器は、それぞれ所定の位置に開口部を有し一辺に平行な軸を回転主軸として観音開きする一対の矩形状の遮光板を回動させて可変絞りし、最大絞り時には、前記一対の遮光板に形成される開口領域を通じて前記マイクロレンズにより分割される複数の光束の中の所定のマイクロレンズを通過した光束を有効とする照明方法。
9. 前記フライアイレンズは、前記ライトバルブと共役関係にある第１のフライアイレンズと、前記光源と共役関係にある第２のフライアイレンズとからなることを特徴とする請求項８に記載の照明方法。
10. 前記一対の遮光板に形成される開口部は、最大絞り時において、
    前記フライアイレンズのマイクロレンズによって分割される複数の光束のうち、前記ライトバルブと共役にある第１のフライアイレンズを構成するマイクロレンズ中心位置に隣接するマイクロレンズ以外のマイクロレンズを通過する光束を有効光束とすることを特徴とする請求項８に記載の照明方法。
11. 照明装置を備える投射型表示装置であって、前記照明装置として、請求項１に記載の照明装置を用いることを特徴とする投射型表示装置。
    

Images