JP3639842B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投射型表示装置、特に、高いコントラスト比を有する画像表示の状態と、高いスクリーン輝度を有する画像表示の状態とに、用途に応じて切換え変更できるようにした投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光源から放射された光束が与えられているライトバルブによって、表示の対象にされている画像情報で強度変調された光束を、スクリーン上に拡大投影させるようにした投射型表示装置としては、従来から透過型のアクティブマトリックス液晶ライトバルブ、反射型のアクティブマトリックス液晶ライトバルブ、透過型の光書込み光読出し型空間光変調素子、反射型の光書込み光読出し型空間光変調素子、透過型の電気書込み光読出し型空間光変調素子、反射型の電気書込み光読出し型空間光変調素子、透過型の電気書込み光読出し型液晶ライトバルブ、反射型の電気書込み光読出し型液晶ライトバルブ、その他のライトバルブを使用して構成したものが提案されて来ている。
【０００３】
ところで、前記のような投射型表示装置に要求される光学性能の主なものとしては、スクリーン上に投影される表示画像の明るさと、表示画像のコントラスト比とを挙げることができる。前記のように投射型表示装置に要求される前記した２つの光学性能の内で、表示画像の明るさという光学性能は、投射型表示装置が比較的に明るい環境の部屋で、プレゼンテーションの用途に使用されるような場合に、スクリーン上に明るい投影画像を表示させるときに最も重要視される。他方、表示画像の高いコントラスト比という光学性能は、投射型表示装置を比較的に暗い環境の部屋で使用し、高画質の投影画像をスクリーン上に表示させることが要求されるようなときに最も重要視される。
【０００４】
そして、従来の投射型表示装置において、プレゼンテーションを行なうために、比較的に明るい環境の部屋で、スクリーン上に明るい投影画像を表示させることができるような状態で、投射型表示装置が使用される場合には光源の光量を増大させ、また、比較的に暗い環境の部屋で投影画像をスクリーン上に表示させるような状態で投射型表示装置が使用される場合には、光源の光量を減少させるように光源の光量を可変して、スクリーン上の画像の輝度を用途の違いに応じて変化できるように構成した投射型表示装置は、従来から提供されて来ているが、前記した従来の投射型表示装置においては、スクリーン上の画像の輝度を可変させるだけで、画像のコントラスト比については何の配慮も払われていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光源から放射された光束を偏光ビームスプリッタを介して、少なくとも光変調材（例えば液晶）を含んで構成されているライトバルブに集光させる照明光学系と、前記のライトバルブによって表示の対象とされるべき画像情報と対応して強度変調された光束を、スクリーン上に拡大投影させる投影レンズ系とを少なくとも含んで構成されている投射型表示装置において、それがプレゼンテーション用に使用される場合のように、スクリーン上の画像の輝度を高くすることが要求されるときには、一般にＦナンバーの小さな光学系が用いられる。そして、前記のようにＦナンバーの小さな光学系における光束は、コーンアングルが大きいために、光軸に対して大きな角度を有する光線を含んでいる。
【０００６】
投射型表示装置の構成部材の一つとして使用されているライトバルブ、すなわち、光変調材（例えば液晶）を含んで構成されているライトバルブが、制御入力に応じて光の偏光面を回転させるような動作態様での光変調動作を行なうものとして構成されているものであった場合には、ライトバルブに対して直線偏光を入射させることが必要とされる。
そのために、光源から放射された不定偏光を、直線偏光に変換してライトバルブに入射させるようにしており、前記した不定偏光を直線偏光に変換する偏光子としては、偏光板または偏光ビームスプリッタが使用される。
【０００７】
ところが、前記した偏光板や偏光ビームスプリッタは、入射光の角度依存性が高く、入射角度の大きな光線は、不要な偏光成分までも透過または反射させてしまうので、投影される画像のコントラスト比を悪化させていた。
それで、既述したプレゼンテーション用の投射型表示装置のように、スクリーン上の画像の輝度を高くするために、Ｆナンバーの小さな光学系が用いられた場合には、光軸に対して大きな角度を有する光線が偏光板や偏光ビームスプリッタに入射されるので、偏光板や偏光ビームスプリッタでは、不要な偏光成分までも透過または反射させてしまい、したがって、スクリーン上に投影される画像はコントラスト比の低い画像品質が劣っているものになっていた。
そのために、既述した従来の投射型表示装置のように、比較的に暗い環境の部屋で投影画像をスクリーン上に表示させるような状態で投射型表示装置が使用される場合に、光源の光量を減少させるように光源の光量を可変したところで、スクリーン上には、コントラスト比の低い画像品質の悪い投影画像しか表示できない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下に記載の手段よりなる。
すなわち、光源から放射された光束を偏光ビームスプリッタを介してライトバルブに集光させるための一対のインテグレータを備えて構成されている照明光学系と、前記のライトバルブによって表示の対象とされるべき画像情報と対応して強度変調された光束を、スクリーン上に拡大投影させる投影レンズ系とを少なくとも含んで構成されている投射型表示装置において、
前記したインテグレータの周辺部分に前記光学系のＦナンバーを切換えるための光学絞りを設けてなる投射型表示装置。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の投射型表示装置の具体的な内容を詳細に説明する。図１及び図２ならびに図４は、それぞれ本発明の投射型表示装置の異なる実施態様の要部の概略構成を示すブロック図であり、また、図３は図２に示してある本発明の投射型表示装置の動作を説明するために用いられる図であり、さらに図５は偏光ビームスプリッタに対する入射光の入射角度と、投影画像のコントラスト比との関係を説明するための図である。
【００１０】
図１に示す本発明の投射型表示装置の要部の概略構成を示すブロック図において、１は不定偏光を放射する光源用灯管（例えば白熱灯、放電灯）、２は反射鏡（例えば楕円反射鏡）、３はレンズであり、前記した光源用灯管１と反射鏡２とレンズ３とは、投射型表示装置の光源ＰＳを構成している。
光源ＰＳにおける光源用灯管１から放射された不定偏光は反射鏡２で反射された後にレンズ３に入射され、前記のレンズ３から射出した光が偏光ビームスプリッタ４を介してライトバルブ５に集光される。
【００１１】
前記した偏光ビームスプリッタ４は、２個の三角プリズムの接合面に、２種類の異なる屈折率の膜を多数層積層して構成されている偏光分離膜４ａを備えて構成されている。前記した光源ＰＳから放射された不定偏光が、前記した偏光ビームスプリッタ４に入射されることにより、前記した偏光分離膜４ａで反射したＳ偏光波が、ライトバルブ５（図示のライトバルブは反射型のライトバルブ、例えば反射型のアクティブマトリックス液晶ライトバルブ）に入射する。
前記した偏光ビームスプリッタ４から射出してライトバルブ５に入射するＳ偏光波におけるライトバルブへの最大入射角をθ（光源ＰＳから偏光ビームスプリッタ４への最大入射角と同じ）とすると、前記した照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値は、次の（１）式で表される。
Ｆｎｏ＝１／２ｓinθ …（１）
【００１２】
前記した図１中のライトバルブ５へ最大入射角θ（光源ＰＳから偏光ビームスプリッタ４への最大入射角と同じ）で入射する光線（図１中の実線図示の光線）の状態は、後述されている光学絞り６が無い場合に得られるものであるとして示してある。光源ＰＳから放射された光束のすべてが、前記したライトバルブ５に集光されるような明るい照明光学系を構成しようとすると、前記したライトバルブ５への入射光束の最大入射角θが大きな角度となるために、（１）式で示される照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値は小さな値となる。
【００１３】
そこで、図１中に図面符号６で示してある光学絞り６を、光源ＰＳと偏光ビームスプリッタ４との光路中に入れて、光源ＰＳから偏光ビームスプリッタ４に入射する光束における外側の部分が偏光ビームスプリッタ４に入射しないように遮光し、この場合に光源ＰＳから偏光ビームスプリッタ４に入射する入射光束の最大入射角（偏光ビームスプリッタ４から射出してライトバルブ５に入射するＳ偏光波におけるライトバルブへの最大入射角と同じ）を、図１中で破線により示してある光束のように、光学絞り６が無い状態における図１中に実線で示してある光束の入射角に比べて小さな入射角にした場合における（１）式で示される照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値は、光学絞り６によって遮光されていなかった状態における照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値よりも大きくなる。
【００１４】
ところで、偏光ビームスプリッタ４における偏光分離膜４ａは、Ｐ偏光波を略々１００％透過させるとともに、Ｓ偏光波を略々１００％反射させるようなブルースター角を備えているものとして構成されている。そして、前記した偏光ビームスプリッタ４における偏光分離膜４ａに入射する光線の入射角が、前記したブルースター角からずれた場合の偏光分離膜４ａにおけるＰ偏光波の透過率と、Ｓ偏光波の反射率とは低下するのであり、前記したブルースター角からずれた状態で偏光分離膜４ａに入射する光束が、投射型表示装置によってスクリーン上に投影される画像のコントラスト比を低下させることになる。図５は、ブルースター角度が４５度であるような偏光ビームスプリッタにおけるコントラスト比の入射角依存性を例示した図であり、図５を参照すれば偏光ビームスプリッタ４における偏光分離膜４ａに入射する光線の入射角が、前記したブルースター角からずれるのに従って、投射型表示装置によってスクリーン上に投影される画像のコントラスト比の低下することが判かる。
【００１５】
さて、光源ＰＳから放射された光のすべてをライトバルブ５に集光させうるような照明光学系を備えている投射型表示装置は、前記のように照明光学系のＦナンバーＦｎｏが小さいために、スクリーン上に投影された画像のスクリーン輝度を高くできるから、図１に示す投射型表示装置において光学絞り６を全開の状態にした場合には、比較的に明るい部屋で使用されるプレゼンテーション用の投射型表示装置として好適に使用できる。
また、図１に示す投射型表示装置において、光源ＰＳと偏光ビームスプリッタ４との光路中に設けた光学絞り６により、光源ＰＳから偏光ビームスプリッタ４に入射する光束における外側の所定の部分が偏光ビームスプリッタ４に入射しないように遮光した場合には、光学絞り６が無い状態における図１中に実線で示してある光束の入射角に比べて小さな入射角にした場合における（１）式で示される照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値は、光学絞り６によって遮光されていなかった状態における照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値よりも大きくなるから、この状態で使用される図１に示す投射型表示装置によってスクリーン上に投影される画像のコントラスト比は高いものになる。
【００１６】
すなわち、図１に示す投射型表示装置は、光学絞り６の状態を２段階的に切換えることにより、それを比較的に明るい部屋で使用されるプレゼンテーション用の投射型表示装置として好適に使用したり、あるいは比較的に暗い部屋でコントラスト比の高い高画質の投射画像をスクリーン上に投影させることのできる投射型表示装置として好適に使用したりすることができる。
前記した光学絞り６の切換え態様は、例えば、光学絞り６を図１中の位置に取付けたり取外すことができるようにしたり、あるいは一般的な写真機において光学絞りとして採用されているような可変絞り機構が用いられてもよい。
【００１７】
次に図２に示す本発明の投射型表示装置の要部の概略構成を示すブロック図において、１は不定偏光を放射する光源用灯管（例えば白熱灯、放電灯）であり、また７はインテグレータである。前記のインテグレータ７は、図示の構成例のものでは、多数の単眼レンズＬａ，Ｌａ…を配列してなる第１の蠅の目レンズアレイ板７ａと、多数の単眼レンズＬｂ，Ｌｂ…を配列してなる第２の蠅の目レンズアレイ板７ｂと、集光レンズ７ｃとによって構成されている。
光源ＰＳにおける光源用灯管１から放射された不定偏光は、前記した第１の蠅の目レンズアレイ板７ａにおける個々の単眼レンズＬａ，Ｌａ…によって、第２の蠅の目レンズアレイ板７ｂにおける対応する個々の単眼レンズＬｂ，Ｌｂ…上に光源像を結像する。
【００１８】
前記の第２の蠅の目レンズアレイ板７ｂにおける対応する個々の単眼レンズＬｂ，Ｌｂ…は、それらに個々に結像された光源像を、集光レンズ７ｃ及び偏光ビームスプリッタ４を介してライトバルブ５に結像させる。集光レンズ７ｃは第２の蠅の目レンズアレイ板７ｂにおける対応する個々の単眼レンズＬｂ，Ｌｂ…の透過光をライトバルブ５上に集光させるためのものである。また、図３中に図面符号８で示す部材は、光学的絞りとして動作するマスク部材である。
偏光ビームスプリッタ４は、図１に示す投射型表示装置について既述したと同様な構成態様のものであり、三角プリズムの接合面に、２種類の異なる屈折率の膜を多数層積層して構成されている偏光分離膜４ａを備えて構成されている。
【００１９】
図２に示す投射型表示装置を、前記のマスク部材８が無い状態で使用した場合には、前記した光源ＰＳのインテグレータ７から射出した不定偏光は、前記した偏光ビームスプリッタ４に大きな入射角度の状態で入射される。それで、この図２に示す投射型表示装置においても、図１を参照して既述した投射型表示装置の場合と同様に、既述した（１）式で示される照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値は小さな値となる。
また、図２に示す投射型表示装置が、マスク部材８を取付けた状態で使用された場合には、前記した光源ＰＳのインテグレータ７から射出される不定偏光は、偏光ビームスプリッタ４に入射する光束における外側の部分が偏光ビームスプリッタ４に入射しないように遮光されるために、この場合の（１）式で示される照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値は、マスク部材８によって遮光されていなかった状態における照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値よりも大きくなる。
【００２０】
それで、図２に示す投射型表示装置においても、マスク部材８が無い状態で使用された場合には、比較的に明るい部屋で使用されるプレゼンテーション用の投射型表示装置として好適に使用でき、また、マスク部材８によって偏光ビームスプリッタ４に入射する光束における外側の所定の部分が偏光ビームスプリッタ４に入射しないように遮光した場合には、照明光学系のＦナンバーＦｎｏの値が大きくなるから、この状態で使用される図２に示す投射型表示装置によってスクリーン上に投影される画像のコントラスト比は高いものになる。
【００２１】
すなわち、図２に示す投射型表示装置においても、マスク部材８によって光学絞りの状態を２段階的に切換えることにより、それを比較的に明るい部屋で使用されるプレゼンテーション用の投射型表示装置として好適に使用したり、あるいは比較的に暗い部屋でコントラスト比の高い高画質の投射画像をスクリーン上に投影させることのできる投射型表示装置として好適に使用したりすることができる。そして、前記したマスク部材８の切換え態様は、例えば、マスク部材８を図２中の位置に取付けたり取外すことができるようにしたり、あるいは一般的な写真機において光学絞りとして採用されているような可変絞り機構が用いられてもよい。なお、図１及び図２に示す投射表示装置において、図面符号１０で示してある構成部分は投影レンズである。
【００２２】
次に、図４は本発明の投射型表示装置の他の実施例の要部の概略構成を示すブロック図であり、この図において図面符号４，５，１０で示す構成部分は、図１及び図２を参照して既述した投射型表示装置において図面符号ＰＳ，５，１０を付してある構成部分と同様な構成部分、すなわち、光源ＰＳ、ビームスプリッタ４、ライトバルブ５、投影レンズ１０である。
この図４に示す投射型表示装置は、光源ＰＳから放射された光束を偏光ビームスプリッタ４を介してライトバルブ５に集光させる照明光学系と、前記のライトバルブ５によって表示の対象とされるべき画像情報と対応して強度変調された光束を、スクリーン上に拡大投影させる投影レンズ１０とを含んで構成されている投射型表示装置における投影レンズ１０に、光学系のＦナンバーを切換えるための光学絞り１１を設けた構成態様としてものである。１０ａ，１０ｂはレンズである。
【００２３】
図４に示す投射型表示装置は、光源ＰＳから放射された不定偏光が、偏光ビームスプリッタ４によってＳ偏光波とされてライトバルブ５に集光され、ライトバルブ５で光変調された状態でライトバルブ５から射出したＰ偏光波出力を、投射レンズ１０によってスクリーンに投影し、スクリーン上に画像を表示させる場合に、投影レンズ１０内に設けた光学絞り１１を２段階に切換えることにより、比較的に明るい部屋で使用されるプレゼンテーション用の投射型表示装置として好適に使用したり、あるいは比較的に暗い部屋でコントラスト比の高い高画質の投射画像をスクリーン上に投影させることのできる投射型表示装置として好適に使用したりすることができる。前記した光学絞り１１の切換え態様は、例えば、一般的な写真機において光学絞りとして採用されているような可変絞り機構が用いられてもよい。
【００２４】
すなわち、図４に示す投射型表示装置では、光源ＰＳから放射された不定偏光のすべてが前記したライトバルブ５に集光できるようなＦナンバーＦｎｏの値の小さな明るい照明光学系を使用し、比較的に明るい部屋でプレゼンテーション用の投射型表示装置として使用する場合には投影レンズ１０内に設けた光学絞り１１を開放の状態として、投影レンズ１０もＦナンバーＦｎｏの小さな明るいレンズ系として、図４中の実線で示すような光線が投影レンズ１０からスクリーンに投影されるようにして、明るい画像がスクリーン上に表示されるようにする。
【００２５】
また、図４に示す投射型表示装置で比較的に暗い部屋でコントラスト比の高い高画質の投射画像をスクリーン上に投影させようとする場合には、光源ＰＳから放射された不定偏光のすべてが前記したライトバルブ５に集光できるようなＦナンバーＦｎｏの値の小さな明るい照明光学系を使用しているが、投影レンズ１０内に設けた光学絞り１１を所定の状態に絞った状態として、図４中の破線で示すような光線が投影レンズ１０からスクリーンに投影されるように、すなわち、前記のようにＦナンバーＦｎｏの値の小さな明るい照明光学系が使用されているために、偏光ビームスプリッタに大きな入射角で入射した光によって発生した画像のコントラスト比を低下させる光成分は、前記した光学絞り１１で遮断させて、投影レンズ１０からスクリーンに投影されないようにして、コントラスト比の高い高画質の画像がスクリーン上に表示されるようにする。
【００２６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したところから明らかなように本発明の投射型表示装置は、インテグレータの周辺部分に光学系のＦナンバーを切換えるための光学絞りを設けて光学系のＦナンバーを切換えることによって、比較的に明るい部屋で使用されるプレゼンテーション用の投射型表示装置として好適に使用したり、あるいは比較的に暗い部屋でコントラスト比の高い高画質の投射画像をスクリーン上に投影させることのできる投射型表示装置として好適に使用したりすることができるのであり、本発明によれば既述した従来の問題点は良好に解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投射型表示装置の要部の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の投射型表示装置の要部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示してある本発明の投射型表示装置の動作を説明するために用いられる図である。
【図４】本発明の投射型表示装置の要部の概略構成を示すブロック図である。
【図５】偏光ビームスプリッタに対する入射光の入射角度と、投影画像のコントラスト比との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１…不定偏光を放射する光源用灯管、２…反射鏡、３，７ｃ…レンズ、４…偏光ビームスプリッタ、５…ライトバルブ、６，９…光学絞り、７…インテグレータ、８…マスク部材、１０…投影レンズ、ＰＳ…光源、Ｌａ，Ｌｂ…単眼レンズ、７ａ…第１の蠅の目レンズアレイ板、７ｂ…第２の蠅の目レンズアレイ板、

Claims (1)

1. 光源から放射された光束を偏光ビームスプリッタを介してライトバルブに集光させるための一対のインテグレータを備えて構成されている照明光学系と、前記のライトバルブによって表示の対象とされるべき画像情報と対応して強度変調された光束を、スクリーン上に拡大投影させる投影レンズ系とを少なくとも含んで構成されている投射型表示装置において、
   前記したインテグレータの周辺部分に前記光学系のＦナンバーを切換えるための光学絞りを設けてなる投射型表示装置。

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