JP2008209680A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構造によって滑らかな光量調整が可能であり、光源から射出される光の光量を減少させることなくコントラストを向上させる投射型表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による投射型表示装置は、光源３ａと、光源３ａから射出された光を光軸Ｃに対して平行となるように反射させる反射鏡３ｂと、反射鏡３ｂから射出された光の光量を調整するシャッタ機構８ａと、シャッタ機構８ａによって調整された光を集光する集光レンズ４と、集光レンズ４によって集光された光の強度分布を均一化する光強度均一化素子５と、光強度均一化素子５から射出された光を反射して画像をスクリーンに投射する反射型ライトバルブ２とを備え、シャッタ機構８ａは反射鏡３ｂと集光レンズ４との間の光路上に配置されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は投射型表示装置に関し、特に、光源からの光の光量を調整する投射型表示装置に関する。

従来の投射型表示装置は、反射型ライトバルブと、光源からの光を反射型ライトバルブに誘導する誘導光学系と、光源からの光の強度分布を均一化する光強度均一化素子と、反射型ライトバルブから反射した光を映像としてスクリーンに投射する投射レンズとを備えて構成されることが一般的であった。

従来の投射型表示装置では、誘導光学系や投射レンズ等の光学系において光漏れや迷光が生じてしまい、スクリーンに投射される映像の明暗が明確ではなく、十分なコントラストが得られないという問題があった。なお、ここでのコントラストとは映像の明暗の度合いを示している。また、反射型ライトバルブを使用した場合には、反射型ライトバルブから反射された不要な反射光が投射レンズに入射することによって、コントラストが低下してしまうという問題があった。

この問題を解決するためには、反射型ライトバルブに照射される光量をスクリーンに投射する映像の信号に基づいて制御することによってコントラストを向上させる方法や、反射型ライトバルブに入射する光の入射角度を小さくする方法がある。そして、最も簡単に反射型ライトバルブに照射される光の光量を制御する方法は、光源の光出力を制御することによって反射型ライトバルブに照射される光量を制御することである。しかし、光源の光出力を制御することは極めて困難であり、このような方法では、人間の目で認識可能な程度の短時間で明るさが変化するため、スクリーンに投射された映像がちらつくという問題がある。

このような問題を解決する従来の技術として、外部からの制御信号に基づいて可変頂角プリズム装置を制御することによって光源からの光の光量を調整する投射型表示装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２８７８０３号公報（第４頁、第５図）

しかし、特許文献１では、可変頂角プリズムを用いているため、光をプリズムに通過させることによって光量の低下が生じてしまう。また、可変頂角プリズムからロッドインテグレータの入射端に入射する光の入射角度が可変頂角プリズムの動作によって変化するため、ロッドインテグレータの出射端から射出される光の射出角度が大きくなることによってコントラストが低下してしまう。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、簡単な構造によって滑らかな光量調整が可能であり、光源から射出される光出力を減少させることなくコントラストを向上させる投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による投射型表示装置は、光源と、光源から射出された光を光軸に対して平行となるように反射させる反射鏡と、反射鏡から射出された光の光量を調整するシャッタ機構と、シャッタ機構によって調整された光を集光する集光レンズと、集光レンズによって集光された光の強度分布を均一化する光強度均一化素子と、光強度均一化素子から射出された光を反射して画像をスクリーンに投射する反射型ライトバルブとを備え、シャッタ機構は反射鏡と集光レンズとの間の光路上に配置されることを特徴とする。

本発明は、請求項１に記載のように、反射鏡は光源から射出された光を光軸に対して平行となるように反射させ、シャッタ機構は反射鏡から射出された光の光量を調整し、集光レンズはシャッタ機構によって調整された光を集光し、光強度均一化素子は集光レンズによって集光された光の強度分布を均一化し、シャッタ機構は反射鏡と集光レンズとの間の光路上に配置されているため、簡単な構造によって滑らかな光量調整が可能であり、光源から射出される光出力を減少させることなくコントラストを向上させるという効果がある。

本発明の実施形態について、図面に基づいて以下に説明する。

〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１による投射型表示装置の構成図である。図１に示すように、投射型表示装置１は光源系３を備え、光源系３から射出された光は集光レンズ４に入射されている。光源系３と集光レンズ４との間の光路上には光量調整系８が配置されており、光源系３からの光の光量を調整している。集光レンズ４によって集光された光は強度均一化素子５に入射され、光強度均一化素子５によって光の強度分布を均一にしている。光強度均一化素子５から射出された光はリレーレンズ６を経て反射型ライトバルブ２に入射され、反射型ライトバルブ２によって反射された光は投射光学系７を経てスクリーン（図示せず）に投射される。

以下に、投射型表示装置１の各構成要素について詳細に説明する。

光源系３は、光源３ａと反射鏡３ｂとから構成されており、光源３ａから射出された光を反射鏡３ｂで反射させることによって光が光軸と平行になる。なお、光源３ａは、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプが一般的に用いられているが、例えばＬＥＤ、レーザ、ＥＬなどの発光デバイスであればいかなるものでもよい。また、反射鏡３ｂは、本発明の実施形態では放物面で形成されているが、集光レンズ４に入射する光が光軸Ｃとほぼ平行となるのであればいかなるものでもよい。例えば、反射鏡３ｂが楕円面で形成されている場合は、光源系３から射出された光を凹レンズによって光軸とほぼ平行になるようにしてもよい。

集光レンズ４は、光源系３から射出された光を光強度均一化素子６に集光するように配置されている。

光強度均一化素子５では、集光レンズ４を通過した光の断面における強度分布を均一化し、光の照度むらを低減している。一般的な光強度均一化素子５は、ガラスまたは樹脂などの透明材料であって、側壁内側が全反射面となるように構成されている。例えば、光強度均一化素子５が四角柱状のロッド（断面形状が四辺形の管状部材）場合は、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射端５ｂから射出させる。一方、内側が筒状の光反射面であって断面形状が四辺形の管状部材の場合は、内側に構成された反射鏡によって光を複数回反射させた後に、出射端５ｂから射出させる。このように、光強度均一化素子５は、光の進行方向に適当な長さを確保すると、光強度均一化素子５の内側で複数回反射した光が出射端５ｂ近傍に重畳照射されるため、出射端５ｂ近傍では均一な光強度分布が得られる。そして、光強度均一化素子５によって光強度が均一化して射出された光は、リレーレンズ６によって反射型ライトバルブ２へと導かれる。

反射型ライトバルブ２は、各画素に対応する多数（例えば、数十万個）の可動式のマイクロミラー（微小鏡面）を平面的に配列したものであり、スクリーンに投射する画像の画素情報に応じて各々のマイクロミラーの傾斜を変化させることが可能となっている。反射型ライトバルブ２は、各々のマイクロミラーを基準面に対して所定の方向に角度α（例えば、１２°）だけ傾斜させることによって、マイクロミラーに入射してきた光を投射光学系７に向けて反射させている。投射光学系７に入射した光は、スクリーン上に画像として投射される。また、各々のマイクロミラーを基準面に対して所定の方向とは反対方向に角度αだけ傾斜させることによって、光を投射光学系７から離れて別の位置に配置された光吸収板（図示せず）に向けて反射させる。光吸収板に入射した光は、スクリーン上に画像として投射されない。なお、本発明の実施形態では、反射型ライトバルブ２としてデジタル・マイクロミラー・デバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）素子を用いているが、反射型液晶素子のような他の反射型ライトバルブを用いてもよい。

光量調整系８は、シャッタ機構８ａ、シャッタ制御部８ｂ、信号検知部８ｃから構成されている。シャッタ機構８ａは、光源系３と集光レンズ４との間に配置されている。信号検知部８ｃは、反射型ライトバルブ２に入力される映像信号を検知し、検知結果に基づいて光量比率（反射型ライトバルブ２に照射されるべき光量の相対光量比）を算出する。シャッタ制御部８ｂは、信号検知部８ｃによって算出された光量比率に基づいてシャッタ機構８ａの開閉を制御している。

図２は、本発明の実施形態１による反射型ライトバルブおよび投射光学系の構成図である。図２に示すように、２０は反射型ライトバルブ２に入射する光、２０ａは投射光学系７に入射するように反射型ライトバルブ２によって反射された光、２０ｂは投射光学系７に入射しないように反射型ライトバルブ２によって反射された光、２０ｃはカバーガラス２１から反射した光である。カバーガラス２１は、反射型ライトバルブ２のマイクロミラーを保護するために備えられている。図２より、反射型ライトバルブ２に入射する光の入射角が大きいと、カバーガラス２１から反射した光が投射光学系７に入射してしまい、結果としてコントラストの低下につながってしまう。よって、反射型ライトバルブ２に入射する光の入射角度は小さい方がよい。

図３は、本発明の実施形態１による集光レンズに入射する光の位置と反射型ライトバルブに入射する光の入射角との関係を示す図である。図３（ａ）は光軸Ｃから距離ｄ１だけ離れた位置から集光レンズ４に入射する光３０の軌跡を示しており、図３（ｂ）は光軸Ｃから距離ｄ２だけ離れた位置から集光レンズ４に入射する光３１の軌跡を示している。α１およびα２は、光３０および光３１の各々の入射および出射角度であり、光強度均一化素子５の入射端５ａに入射した光の入射角α１およびα２は、反射型ライトバルブ２に入射する光の入射角度α１およびα２となる。なお、ｄ１≧ｄ２、α１≧α２である。図３より、集光レンズ４に入射する光の位置が光軸Ｃから離れるにしたがって、反射型ライトバルブ２に入射する光の入射角度が大きくなることが分かる。よって、反射型ライトバルブ２に入射させる光の入射角度を小さくするためには、集光レンズ４に入射する光の位置が光軸Ｃに近い必要があり、そのためには光軸Ｃから離れた位置にある光を遮光すればよい。

図４は、本発明の実施形態１による光源系と集光レンズとの間における光の断面の照度分布のシミュレーションを示す図の一例である。図４（ａ）はｘｙ平面上における光の断面の照度分布４１を、２５６階調のグレースケールによって示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の照度分布４１のライン４０上における照度の相対強度特性を示している。図４（ｂ）において、横軸はライン４０の位置、縦軸はライン４０に対する照度の相対強度を示している。図４より、照度分布４１は同心円状に変化しており、光軸全体を外側から内側に向かって遮光していくようにすると、反射型ライトバルブ２に入射する光の光量調整を容易に行うことが可能である。また、図４（ｂ）に示すように、照度強度が滑らかに変化していることから、反射型ライトバルブ２に入射する光の光量調整を滑らかに行うことが可能となる。

図５は、本発明の実施形態１による光強度均一化素子５の開口部の形状とシャッタ機構の形状との関係を示す図である。図５（ａ）は光強度均一化素子５の入射端５ａの開口部の形状、図５（ｂ）はシャッタ機構８ａの形状のそれぞれ一例を示している。図５において、光強度均一化素子５の入射端５ａが長方形の場合、長手方向（ｘ方向）は入射角度の大きい光を取り込みやすいが、短手方向（ｙ方向）は長手方向と比べて入射角度の大きい光を取り込みにくくなる。よって、ｌ：ｍ＝４：３のときは、ｎ：ｏ＝３：４であることが好ましい。このことから、効率よく光量を調整するためには、取り込みやすい方向（ｘ方向）から遮光していくことが好ましい。

図５（ｂ）に示すように、本発明の実施形態におけるシャッタ機構８ａは２枚の遮光部材８Ｌ、８Ｒを備え、遮光部材８Ｌ、８Ｒが光軸の相対する両側から光軸に対してほぼ直交するように可動することによって、反射型ライトバルブ２に照射される光の光量を調整する。したがって、シャッタ機構８ａは、光軸全体を外側から内側に向かって遮光していくような形状が好ましい。

光量調整系８におけるシャッタ機構８ａの調整は、図４（ｂ）に示すような、光の相対照度分布に基づいて行なわれる。図４（ｂ）より、照度分布４１の周辺部分の相対照度は低いため、周囲部分を可動するシャッタ機構８ａの単位時間当たりの調整幅は大きくとり、相対照度が高い部分は単位時間当たりの調整幅を小さくとることによって、単位時間当たりの調整に対する光量の変化がほぼ線形となり、滑らかな光量の調整が可能となる。

図６は、本発明の実施形態１による従来技術との比較を示すための構成図である。図６は、本発明の実施形態１に示す構成において、光軸Ｃ上のシャッタ機構８ａを挟むように第１のレンズアレイＡ１および第２のレンズアレイＡ２を配置していることを特徴としている。この構成は、特許文献１における可変頂角プリズムをシャッタ機構８ａに置き換えている。図７は、本発明の実施形態１による図６の構造における光の断面の照度分布のシミュレーションを示す図である。図７は、シャッタ機構８ａ付近の照度分布であり、２５６階調のグレースケールで表示している。以上のことから、図６に示す構成では、構造が複雑になり製造も複雑となる。また、図７のように、光の断面における照度分布が複数に分割されているため、光の光量を滑らかに調整することが困難となる。

図８は、本発明の実施形態１による従来技術との比較を示すための構成図である。図８は、本発明の実施形態１に示す構成において、光軸Ｃ上のシャッタ機構８ａと集光レンズ４との間に第１レンズアレイおよび第２レンズアレイを配置していることを特徴としている。この構成は、特許文献１における可変頂角プリズムをシャッタ機構８ａに置き換えている。この構成は、図６に示す構成よりもさらに大型化するという問題がある。

以上、図６および図８に示すような従来の構成との比較を行なったが、光学系３と集光レンズ４との間にシャッタ機構８ａを配置する場合は、レンズアレイを使用しないことが好ましいことが分かる。

〈実施形態２〉
図９は、本発明の実施形態２による投射型表示装置の構成図である。実施形態２は、実施形態１におけるシャッタ機構８ａを光軸Ｃに対して傾斜させて配置していることを特徴としている。他の構成については実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図１０は、本発明の実施形態２によるシャッタ機構が光軸Ｃに対して垂直に配置されるときの構成図である。図１０より、７０は反射鏡３ｂから反射される光のｙ軸方向の有効領域における最大値から反射した光、７１は反射鏡３ｂから反射される光のｙ軸方向の有効領域における最小値から反射した光を示している。図１０に示すように、シャッタ機構８ａで反射した光７０および光７１が光源３ａに照射されている。光源３ａに反射してきた光が照射すると、光源３ａの寿命が短くなってしまうという問題が生じてしまうので、シャッタ機構８ａを反射した光が光源３ａを照射しないようにすることが好ましい。図９はこのような問題を解決するための構成であり、シャッタ機構８ａを光軸Ｃに対して傾斜をつけて配置することによって本発明の実施形態１と同様に滑らかな光量調整が可能である。また、光源３ａに光が照射されることによる光源３ａの寿命への影響が低減される。

図１１は、本発明の実施形態２によるシャッタ機構が光軸に対して傾斜して配置されるときの構成図である。図１１より、８０は反射鏡３ｂから反射される光のｙ軸方向の有効領域における最大値から反射した光、８１は反射鏡３ｂから反射される光のｙ軸方向の有効領域における最小値から反射した光を示している。

図１１に示すように、光８１が反射鏡３ｂに照射されないようにシャッタ機構８ａを傾斜させることによって、光源３ａに光が照射されることによる光源３ａの寿命への影響が低減される。

図１２は、本発明の実施形態２によるシャッタ機構８ａが平板状であるときにおけるシャッタ機構８ａの傾きを決定するための説明図である。図１２（ａ）において、９０は反射鏡３ｂから反射される光のｙ軸方向の有効領域における最小値から反射した光を示している。シャッタ機構８ａが平板状である場合、光源３ａに対して反射鏡３ｂの最遠端と光源３ａの光軸Ｃとの最短距離をａ、反射鏡３ｂの最遠端から光軸Ｃと平行にシャッタ機構８ａと交差する点との距離をｂ、シャッタ機構８ａと光軸Ｃとがなす角度をγ１、光軸Ｃと光９０とがなす角度をγ２とすると、以下の式（１）を満足すれば、シャッタ機構８ａを反射した光が光源３ａを照射しないこととなる。また、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）におけるγ１とγ２との関係式を説明する図を示している。ここで、シャッタ機構８ａの平面に対して直交する点線を９１、反射鏡３ｂの最遠端と反射鏡３ｂの最遠端から光軸Ｃと平行にシャッタ機構８ａと交差する点とを延長した点線を９２とすると、光９０は、シャッタ機構８ａの平面に対して直交する点線９１に対して入射と同様の角度で出射する。ここで、式（１ａ）にγ１とγ２との関係式を示す。

γ２＝２（９０−γ１） ・・・（１ａ）
０＜γ１≦ａｒｃｔａｎ（ａ／（ｂ−ｃ）） ・・・（１）
ただし、式（１）を満足するγ１より角度が大きい場合では、シャッタ機構８ａが光軸Ｃと直交するように配置されていない限り、光源３ａの寿命への影響が低減されるという効果が得られる。また、γ１が０の場合は、光量調整することが不可能である。

よって、光量調整が可能であって、反射鏡３ｂおよび集光レンズ４にシャッタ機構８ａが干渉せず、光量調整時、反射鏡３ｂにシャッタ機構８ａから反射された反射光が完全に戻らないようにシャッタ機構８ａを配置することが好ましい。

図１３は、本発明の実施形態２によるシャッタ機構が平板状以外であるときにおけるシャッタ機構の傾きを決定するための説明図である。図１３において、１００は反射鏡３ｂの光軸Ｃ近傍から反射した光を示している。シャッタ機構８ａが平板状でない場合、光源３ａに対して反射鏡３ｂの最遠端と光源３ａの光軸Ｃとの最短距離をａ、反射鏡３ｂの最近端近傍と、近傍から光軸Ｃと平行にシャッタ機構８ａと交差する点との距離をｂ、近傍と光軸Ｃとの距離をｃ、近傍から光軸Ｃと平行な直線とシャッタ機構８ａとがなす角度をγ３、近傍から光軸Ｃと平行な直線と光１００とがなす角度をγ４とすると、以下の式（２）を満足すればシャッタ機構８ａを反射した光が光源３ａを照射しないこととなる。

０＜γ３≦９０−１／２×ａｒｃｔａｎ（（ａ−ｃ）／ｂ） ・・・（２）
ただし、式（１）を満足するγ１より角度が大きい場合では、シャッタ機構８ａが光軸Ｃと直交するように配置されていない限り、光源３ａの寿命への影響が低減されるという効果が得られる。また、γ３が０の場合は、光量調整することが不可能である。

図１２の場合のシャッタ機構８ａより角度を大きくすることが不可能なため、図１２の場合より装置のコンパクト化が図れる。

よって、光量調整が可能であって、反射鏡３ｂおよび集光レンズ４にシャッタ機構８ａが干渉せず、光量調整時、反射鏡３ｂにシャッタ機構８ａから反射された反射光が完全に戻らないようにシャッタ機構８ａを配置することが好ましい。なお、この場合のシャッタは、光軸Ｃに相対して配置されて、形状は光軸Ｃに対して対称である。また、光１００は光軸Ｃの近傍であることから、ｃ≒０としてもよい。

シャッタ機構８ａは、図１３に示すような、光軸に対して相対する位置に軸が設けられ、その軸を中心に回動することによって光源３ａからの光の光量を調整するような観音扉であってもよい。このような構成とする理由は、光軸Ｃに対して直交するようにシャッタを可動させるよりも、観音扉にして回動させた方がシャッタ機構８ａの動作が容易となるからである。

図１４は、本発明の実施形態２によるシャッタ機構が平板状以外であるときにおけるシャッタ機構の形状の一例図である。図１４に示すように、シャッタ機構８ａは８Ｒおよび８Ｌの２枚のシャッタから構成され、８Ｒの右端の上下辺が回転軸となり、８Ｌの左端の上下辺が回転軸となっている。このようなシャッタ機構８ａの形状において、ｚ方向に向かって観音扉を回動させる場合に、ｘ方向から入射してくる光を遮光していくことは容易であるが、ｙ方向から入射してくる光を遮光していくことは困難である。よって、ｘ方向およびｙ方向から入射してくる光を効率よく遮光するためには、図１４に示すようなｙ方向の上下部分に突出部を形成したシャッタ機構が好ましい。

本発明の実施形態１による投射型表示装置の構成図である。 本発明の実施形態１による反射型ライトバルブおよび投射光学系の構成図である。 本発明の実施形態１による集光レンズに入射する光の位置と反射型ライトバルブに入射する光の入射角との関係を示す図である。 本発明の実施形態１による光源系と集光レンズとの間における光の断面の照度分布のシミュレーションを示す図である。 本発明の実施形態１による光強度均一化素子の開口部の形状とシャッタ機構の形状との関係を示す図である。 本発明の実施形態１による従来技術との比較を示すための構成図である。 本発明の実施形態１による図６の構造における光の断面の照度分布のシミュレーションを示す図である。 本発明の実施形態１による従来技術との比較を示すための構成図である。 本発明の実施形態２による投射型表示装置の構成図である。 本発明の実施形態２によるシャッタ機構が光軸に対して垂直に配置されるときの構成図である。 本発明の実施形態２によるシャッタ機構が光軸に対して傾斜して配置されるときの構成図である。 本発明の実施形態２によるシャッタ機構が平板状であるときにおけるシャッタ機構の傾きを決定するための説明図である。 本発明の実施形態２によるシャッタ機構が平板状以外であるときにおけるシャッタ機構の傾きを決定するための説明図である。 本発明の実施形態２によるシャッタ機構が平板状以外であるときにおけるシャッタ機構の形状の一例図である。

符号の説明

１ 投射型表示装置、２ 反射型ライトバルブ、３ 光源系、３ａ 光源、３ｂ 反射鏡、４ 集光レンズ、５ 強度均一化素子、６ リレーレンズ、７ 投射光学系、８ 光量調整系、８ａ シャッタ機構、８ｂ シャッタ制御部、８ｃ 信号検知部。

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源から射出された光を光軸に対して平行となるように反射させる反射鏡と、
   前記反射鏡から射出された光の光量を調整するシャッタ機構と、
   前記シャッタ機構によって調整された光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズによって集光された光の強度分布を均一化する光強度均一化素子と、
   前記光強度均一化素子から射出された光を反射して画像をスクリーンに投射する反射型ライトバルブと、
   を備え、前記シャッタ機構は前記反射鏡と前記集光レンズとの間の光路上に配置されることを特徴とする、投射型表示装置。
2. 前記シャッタ機構が平板状である場合、前記シャッタ機構は光軸に対して直交しないように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記シャッタ機構は、光軸に対して相対する位置に軸が設けられ、前記軸を中心に回動することによって前記光源からの光の光量を調整する観音扉を含み、前記光源からの光を遮断したときに前記シャッタ機構と前記光軸とが直交しないことを特徴とする、請求項１に記載の投射型表示装置。
4. 前記光源に対して前記反射鏡の最遠端と前記光源の光軸との最短距離をａ、前記反射鏡の最遠端と、前記反射鏡の最遠端から前記光軸と平行に前記シャッタ機構と交差する点との距離をｂ、前記シャッタ機構と前記光軸とがなす角度をγ１とすると前記シャッタ機構は、
   ０＜γ１≦９０−１／２×ａｒｃｔａｎ（２ａ／ｂ） ・・・（１）の条件を満足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。
5. 前記光源に対して前記反射鏡の最遠端と前記光源の光軸との最短距離をａ、前記反射鏡の最近端近傍から前記光軸と平行に前記シャッタ機構と交差する点との距離をｂ、前記近傍と前記光軸との距離をｃ、前記近傍から前記光軸と平行な直線と前記シャッタ機構とがなす角度をγ３とすると、前記シャッタ機構は、
   ０＜γ３≦９０−１／２×ａｒｃｔａｎ（（ａ−ｃ）／ｂ） ・・・（２）の条件を満足することを特徴とする、請求項３に記載の投射型表示装置。