JP4020156B2 - 照明装置ならびに投射型表示装置とその駆動方法 - Google Patents
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Description
この構成によれば、遮光部材の作用によって光源からの射出光を遮光する程度を容易に調節することができ、本発明の照明装置に好適な調光手段を実現することができる。
フライアイレンズから射出された光束は、フライアイレンズを構成する各レンズの焦点近傍で一旦絞られるが、遮光部材をここに配置した場合、光束が絞られた領域で減光が行われるので、被照明領域における照度分布に影響を与えることなく、調光を行うことができる。また、この部分には、フライアイレンズの焦点距離に応じた隙間が予め設けられているので、その間に遮光部材を配置しても、その他部品の光学配置を変更する必要がない。
この構成によれば、例えば遮光板に何らかの遮光板駆動機構を設けるなどして、遮光板を平行移動可能に構成することによって、遮光板で遮る光の量を変化させ、遮光板の設置箇所を透過する光量を容易に調節することができる。
この構成によれば、例えば回動軸にステッピングモータを接続するなどして、遮光板を回動させることにより遮光板の設置箇所を透過する光の量を容易に応答性良く調節することができる。例えば、遮光板の板面が光軸に平行になるように配置すれば、光の透過率を100%に近い値とすることができ、遮光板の板面が光軸に対して所定の角度になるまで回動させれば、設定した範囲内で最小の透過率に減光することができ、被照明領域において所望の明るさの光を得ることができる。
上述したように、フライアイレンズを構成する各レンズの焦点近傍では、フライアイレンズによって形成された複数の2次光源像による光束が絞り込まれている。しかしながら、ここで光束を前記遮光部材を用いて遮光する場合、むやみに遮光を行うと、照度分布の均一化の作用が阻害されてしまう。具体的に説明すると、例えば全ての光束に対して片側から遮光すると、被照明領域の片側のみが明るく、残りの片側が暗いというように照度分布が偏りを持つ場合がある。この問題の対策として、光束の中心を通る軸に対して線対称に遮光を行うと、被照明領域における照度分布も被照明領域の中心を通る軸に対して線対称となる。よって、均一照明手段を透過した後の光がまだ若干の照度分布を持っていたとしても、被照明領域における照度分布が偏りを持つ場合に比べて投射された映像の見栄えを良くすることができる。
さらに、各レンズの中心に対して中心対称に遮光を行うと、元々の光源光の持つ照度分布により合致した遮光の形態となり、照度分布をより均一化することができる。
この構成の場合も、上記の各レンズの中心を通る軸に対して線対称に遮光を行う場合と同様の作用、効果を得ることができる。すなわち、一つ一つの2次光源像については、遮光により明るさの偏りが生じるが、このようにすることで、それらを重畳した被照明領域における照度分布を均一にすることができる。
この構成によれば、例えば一偏光方向の光のみを利用して表示を行う液晶プロジェクタなどの投射型表示装置に本発明の照明装置を用いたときに、PBSアレイにおいて液晶ライトバルブで利用する側の偏光に揃えるように光源からの射出光の偏光変換を行うことができるので、光の利用効率を高めることができる。
この構成によれば、PBSアレイと本発明の遮光部材にわたる装置構成を簡単化することができる。
この構成によれば、前記間隙に例えば冷却用の空気を流すことができ、光源からの強い光を遮光することで温度が上昇した遮光板を冷却することができる。
この構成によれば、フライアイレンズから射出される複数の光束それぞれの間の部分はもともとフライアイレンズで集光された光が到達しない部位であるから、回動軸をこの位置に配置した上で遮光板の板面が光軸に平行になるように遮光板を位置させた場合には、光が遮断されることがほとんどなく、調光をかけない場合に明るさが低下することがない。
複数の遮光板を配置した場合、一つ一つの遮光板の寸法を小さくすることができるので、遮光板をよりフライアイレンズを構成する各レンズの焦点位置の近くに配置することが可能になり、被照明領域における照度分布により影響を与えることなく、調光を行うことができる。また、小さい遮光板であれば、既存の均一照明手段の配置を変えることなくこれらの間に挿入することができ、照明装置が大型化することもない。
これらの構成によれば、よりきめ細かな調光を行うことができる。
この構成によれば、遮光板の数が複数であっても回動軸が一つで済み、回動機構をはじめとする装置構成を簡略化することができる。
このようにして遮光板全体の設計を最適化することにより、被照明領域における照度分布を良好に維持することができる。
この構成によれば、遮光部材による反射光が不要に散乱して表示に悪影響を与えるのを防止することができる。
この構成によれば、遮光部材からの反射光が光源に備えられた反射板等で再度反射し、不要に散乱したり、光源光と干渉するなどして表示に悪影響を与えるのを防止することができる。
この構成によれば、例えば遮光部材からの反射光が到達する位置に照明装置の構成要素が配置されていた場合であっても、その構成要素が温度上昇して不具合が生じるのを回避することができる。
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
まず最初に、本発明の照明装置を備えた投射型表示装置の一例である投射型液晶表示装置について図9〜図13を用いて説明する。
本実施の形態の投射型液晶表示装置は、R(赤)、G(緑)、B(青)の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブを備えた3板式の投射型カラー液晶表示装置である。図9はこの投射型液晶表示装置を示す概略構成図であって、図中、符号1は照明装置、2は光源、3,4はフライアイレンズ(均一照明手段)、5は遮光板(調光手段)、13,14はダイクロイックミラー、15,16,17は反射ミラー、22,23,24は液晶ライトバルブ(光変調手段)、25はクロスダイクロイックプリズム、26は投射レンズ(投射手段)を示している。
本実施の形態の場合、光源2から射出された光の光量を調節する調光手段として、遮光板5が第1のフライアイレンズ3と第2のフライアイレンズ4との間に回動可能に設置されている。そして、第1のフライアイレンズ3および第2のフライアイレンズ4の上方に光吸収体6が設置されている。なお、照明装置の構成については後で詳しく説明する。
青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー13は、光源2からの光束のうちの赤色光LRを透過させるとともに、青色光LBと緑色光LGとを反射させるものである。ダイクロイックミラー13を透過した赤色光LRは反射ミラー17で反射されて赤色光用液晶ライトバルブ22に入射される。一方、ダイクロイックミラー13で反射した色光のうち、緑色光LGは緑色光反射用のダイクロイックミラー14によって反射され、緑色光用液晶ライトバルブ23に入射される。一方、青色光LBはダイクロイックミラー14も透過し、リレーレンズ18、反射ミラー15、リレーレンズ19、反射ミラー16、リレーレンズ20からなるリレー系21を経て青色光用液晶ライトバルブ24に入射される。
図10は本実施の形態の投射型液晶表示装置30の駆動回路の構成を示すブロック図である。調光機能を持たない従来の投射型液晶義示装置の場合、入力された映像信号は適当な補正処理を経て、そのまま液晶パネルドライバに供給されるが、調光機能を有し、かつそれを映像信号に基づいて制御する本実施の形態の場合、基本的な構成として、以下に説明するようにデジタル信号処理ブロックであるDSP(1)〜DSP(3)などの回路が必要となる。
[1]表示映像適応型の制御
まず、表示映像適応型の制御、すなわち明るい映像シーンでは光量が多くなり、暗いシーンでは光量が少なくなるような表示映像に適応した明るさ制御を行う場合について考える。この場合、上記で説明したように、DSP(1)32で映像信号に基づいて明るさ制御信号が決定されるが、その方法には例えば次の3通りが考えられる。
例えば0〜255の256ステップの階調数を含む映像信号を想定する。連続した映像を構成する任意の1フレームに着目した場合、そのフレームに含まれる画素データの階調数毎の出現数分布(ヒストグラム)が、図11Aのようになったとする。この図の場合、ヒストグラムに含まれる最も明るい階調数が190であるので、この階調数190を明るさ制御信号とする。この方法は、入力される映像信号に対し、最も忠実に明るさを表現できる方法である。
例えば映像信号の出現数分布が図12のようであった場合、ヒストグラムより明るい側から10%の領域をとる。10%に相当するところの階調数が230であったとすると、この階調数230を明るさ制御信号とする。図12に示したヒストグラムのように、階調数255の近傍に突発的なピークがあった場合、上記(a)の方法を採用すれば、階調数255が明るさ制御信号となる。しかしながら、この突発的なピーク部分は画面全体における情報としてはあまり意味をなしていない。これに対して、階調数230を明るさ制御信号とする本方法は、画面全体の中で情報として意味を持つ領域によって判定する方法と言うことができる。なお、上記の割合は2〜50%程度の範囲で変化させてもよい。
例えば図13に示すように、画面をm×n個のブロックに分割し、それぞれのブロックAll,…,Amn毎の明るさ(階調数)の平均値を算出し、そのうちで最大のものを明るさ制御信号とする。なお、画面の分割数は6〜200程度とすることが望ましい。この方法は、画面全体の雰囲気を損なうことなく、明るさを制御できる方法である。
上記(a)〜(c)の方法について、明るさ制御信号の判定を、表示領域全体に対して行う他に、例えば表示領域の中央部分など、特定の部分だけに上記方法を適用することもできる。この場合、視聴者が注目している部分から明るさを決定するような制御の仕方が可能となる。
この場合はDSP(1)32から出力された明るさ制御信号をそのまま調光素子ドライバ34に供給すればよいため、DSP(2)33での信号処理は不要となる。この方法は映像の明るさに完全に追従する点で理想的ではあるが、映像の内容により画面の明暗が短い周期で変化することもあり、鑑賞時に余計なストレスを感じるなどの問題が発生する恐れがある。
例えばLPFによって1〜30秒以下の明るさ制御信号の変化分をカットし、その出力によって制御する。この方法によれば、細かい時間の変化分はカットされるため、上記のような短い周期での明暗の変化を避けることができる。
明るさ制御信号に所定の大きさ以上(例えば60階調以上)の変化があった場合にのみ調光素子34を制御する。この方法によれば、シーンの切り替わりなどのみに応じた制御を行うことができる。
投射レンズ26のズーミングに対応させて制御する。通常は液晶ライトバルブ(被照明領域)における単位面積あたりの光量が一定であるから、拡大側では画面が暗くなり、縮小側で明るくなる傾向にある。したがって、これを補正するように、拡大側に変化させた場合には光量が増えるように、縮小側に変化させた場合には光量が減るように調光素子35を制御する。
使用者が好みに応じて調光素子35を制御できるようにする。例えば暗い鑑賞環境においては光量が少なく、明るい鑑賞環境においては光量が多くなるように調光素子35を制御する。この場合、使用者がコントローラを用いて、もしくは調光素子を直接操作するなどして調節する構成としてもよいし、明るさセンサなどを設けて自動的に制御される構成としてもよい。ただし、これら[2]、[3]の制御を行うためには、図10でDSP(1)32〜DSP(3)36のような回路は不要であるが、それ以外の回路構成が必要になる。
次に、本発明の第1の実施の形態の照明装置について図1、図2(A)及び図2(B)を用いて説明する。
本実施の形態では、均一照明手段を構成する2枚のフライアイレンズの間に遮光板を装入した照明装置の例を示す。図1は本実施の形態の照明装置の概略構成を示す側面図、図2(A)及び図2(B)は同、照明装置の遮光板側から第2のフライアイレンズを見た状態を示す正面図である。
次に、本発明の第2の実施の形態の照明装置について図3(A)及び図3(B)を用いて説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第1の実施の形態と同様であり、異なる点は遮光板の形状のみである。したがって、本実施の形態では図3(A)及び図3(B)を用いて遮光板の形状についてのみ説明し、共通部分の説明は省略する。図3(A)は100%透過の状態(調光をかけていない状態)、図3(B)は30%透過の状態(調光をかけた状態)をそれぞれ示している。
次に、本発明の第3の実施の形態の照明装置について図4(A)及び図4(B)を用いて説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第1、第2の実施の形態と同様であり、異なる点は遮光板の回動軸の配置のみである。したがって、本実施の形態では図4(A)及び図4(B)を用いて遮光板の構成についてのみ説明し、共通部分の説明は省略する。図4(A)は100%透過の状態(調光をかけていない状態)、図4(B)は30%透過の状態(調光をかけた状態)をそれぞれ示している。
次に、本発明の第4の実施の形態の照明装置について図5を用いて説明する。
本実施の形態も2枚のフライアイレンズの間に遮光板を装入した点では第1〜第3の実施の形態と共通であるが、上記実施の形態では1枚の遮光板を用いたのに対し、本実施の形態では複数枚の遮光板を用いる点が異なっている。
図5は本実施の形態の照明装置の概略構成を示す側面図である。図5において図1と共通の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、本発明の第5の実施の形態の照明装置について図6を用いて説明する。
第1〜第4の実施の形態の照明装置が2枚のフライアイレンズの間に遮光板を装入していたのに対し、本実施の形態では光源と第1のフライアイレンズとの間に遮光板を装入した点が異なっている。
図6は本実施の形態の照明装置の概略構成を示す側面図である。図6において図1と共通の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、本発明の第6の実施の形態の照明装置について図7、図8を用いて説明する。
本実施の形態も第5の実施の形態と同様、光源と第1のフライアイレンズとの間に遮光板を装入した例であるが、複数の遮光板を一体に回動させる点が異なっている。
図7、図8は本実施の形態の照明装置の概略構成を示す側面図であって、図7は100%透過の状態(調光をかけていない状態)、図8は30%透過の状態(調光をかけた状態)をそれぞれ示している。図7、図8において図1と共通の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、本発明の第7の実施の形態の照明装置について図15を用いて説明する。本実施の形態の照明装置の構成は、図5に示した第4の実施の形態とほぼ同様である。図15は本実施の形態の照明装置の概略構成を示す側面図である。図15において図5と共通の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、本発明の第8の実施の形態の照明装置について図16〜図19(B)を用いて説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第1の実施の形態と同様であるが、第2のフライアイレンズの射出側に偏光変換手段であるPBSアレイが設けられている点が異なっている。そして、遮光板が、第1〜第7の実施の形態で例示した回動方式のものではなく、スライド方式のものである点も異なっている。
図16は本実施の形態の照明装置の概略構成を示す平面図である。図16において図1と共通の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図17(A)及び図17(B)は、照明装置のうち、第2のフライアイレンズとPBSアレイの部分のみを取り出して示す拡大平面図、図18(A)及び図18(B)、図19(A)及び図19(B)は遮光板の正面図であり、図17(A)、図18(A)、図19(A)は調光をかけていない状態、図17(B)、図18(B)、図19(B)は調光をかけた状態をそれぞれ示している。
次に、本発明の第9の実施の形態の照明装置について図20(A)及び図20(B)、図21(A)及び図21(B)を用いて説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第8の実施の形態と同様であり、第2のフライアイレンズの射出側にPBSアレイが設けられ、第2のフライアイレンズとPBSアレイとの間に遮光板が設置されたものである。よって、全体構成の図示は省略する。そして、遮光板の構成が第8の実施の形態と若干異なっている。
図20(A)及び図20(B)は、本実施の形態の照明装置のうち、第2のフライアイレンズとPBSアレイの部分のみを取り出して示す拡大平面図、図21(A)及び図21(B)は遮光板の正面図であり、図20(A)、図21(A)は調光をかけていない状態、図20(B)、図21(B)は調光をかけた状態をそれぞれ示している。
本発明の照明装置によれば、光源の光出力強度が一定のままでも被照明領域において映像に応じた明るさの光が得られ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与することができる。そして、この照明装置の使用により、映像表現力や使用環境への順応性の面で優れた効果を持つ投射型表示装置を実現することができる。従って、本発明の照明装置は工業上有用なものである。
Claims (31)
- 投射型表示装置の光変調手段を照明するために用いられる照明装置であって、
光源と、前記光源から入射される光の照度分布を均一化する均一照明手段と、前記光源から射出される光の光軸上に設置され、前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、外部からの情報に基づいて前記調光手段を制御することによって前記均一照明手段から射出される光の光量が調節可能とされ、
前記均一照明手段が、前記光軸に沿って前記光源に近い側から順次配置されたフライアイレンズと、前記フライアイレンズによって形成された複数の2次光源像を照明面において重ね合わせるための重畳レンズで構成されており、
前記調光手段が、前記光源からの射出光の少なくとも一部を遮断可能に構成された遮光部材からなり、前記遮光部材による前記射出光の遮光面積が調節可能とされ、
前記遮光部材が、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た遮光板からなり、前記遮光板の回動角度により前記光量が調節可能とされ、
前記遮光板の回動軸が、前記フライアイレンズから射出される光束の間となる場所に配置されたことを特徴とする照明装置。 - 前記遮光部材が、前記フライアイレンズと前記重畳レンズとの間に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が、前記フライアイレンズを構成する各レンズの焦点近傍に配置されたことを特徴とする請求項2に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が、前記重畳レンズの射出側に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が、前記フライアイレンズから射出される光束それぞれに対して線対称に遮光を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が、前記フライアイレンズから射出される光束それぞれに対して中心対称に遮光を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が、前記フライアイレンズから射出される光束群の中心に対して線対称に遮光を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が、前記フライアイレンズから射出される光束群の中心に対して中心対称に遮光を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光板が、部分的に光の透過率が異なる領域を有することを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 前記遮光板の縁部が凹凸形状をなしていることを特徴とする請求項1または9に記載の照明装置。
- 前記遮光板が、前記光軸に垂直な面に沿って複数配置されたことを特徴とする請求項1,9,10のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板が、前記フライアイレンズから射出される光束の列毎に対応して配置されたことを特徴とする請求項11に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板を、前記フライアイレンズから射出される光束群の中心線を境として、それぞれ反対の方向に回動させることにより、前記光量を調節することを特徴とする請求項11または12に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板のうち、一部の遮光板のみを回動させることにより前記光量を調節することを特徴とする請求項11ないし13のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板の回転角に差をつけて回動させることにより前記光量を調節することを特徴とする請求項11ないし14のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が、前記フライアイレンズと前記光源との間に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 前記遮光部材が遮光板からなり、前記光軸に垂直な面に沿って複数配置されたことを特徴とする請求項16に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板を、前記フライアイレンズの中心線を境として、それぞれ反対の方向に回動させることにより、前記光量を調節することを特徴とする請求項17に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板のうち、一部の遮光板のみを回動させることにより前記光量を調節することを特徴とする請求項17または18に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板の回転角に差をつけて回動させることにより前記光量を調節することを特徴とする請求項17ないし19のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板が、一つの回動軸を中心として一体に回動可能に構成されたことを特徴とする請求項17に記載の照明装置。
- 前記複数の遮光板の各々の大きさもしくは前記複数の遮光板間のピッチが場所によって異なっていることを特徴とする請求項17ないし21のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光板の回動軸が、前記第1および第2のフライアイレンズを構成する複数のレンズの配列方向に対して傾いて配置されていることを特徴とする請求項1ないし22のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光部材のうち、少なくとも光が照射される側の表面が光吸収性を有することを特徴とする請求項1ないし23のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光部材のうち、少なくとも光が照射される側の表面が光反射性を有することを特徴とする請求項1ないし23のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記遮光部材からの反射光が照明光の光路の外側に反射するように前記遮光部材が回動することを特徴とする請求項25に記載の照明装置。
- 前記遮光板からの反射光が前記光源に戻らない角度で所望の最小透過光量が得られるように構成されていることを特徴とする請求項25または26に記載の照明装置。
- 前記遮光板からの反射光が到達する位置に前記反射光を吸収する光吸収材が設けられたことを特徴とする請求項25ないし27のいずれか一項に記載の照明装置。
- 照明手段と、前記照明手段から射出される光を変調する光変調手段と、前記光変調手段により変調された光を投射する投射手段とを有する投射型表示装置であって、
前記照明手段として、請求項1ないし28のいずれか一項に記載の照明装置を備えたことを特徴とする投射型表示装置。 - 映像信号に基づいて前記調光手段を制御する制御信号を決定する制御信号決定手段と、前記制御信号に基づいて前記調光手段を制御する調光制御手段と、前記映像信号を前記制御信号に基づいて伸張する映像信号伸張手段とを備えたことを特徴とする請求項29に記載の投射型表示装置。
- 請求項29に記載の投射型表示装置の駆動方法であって、
映像信号に基づいて前記調光手段を制御する制御信号を決定し、前記制御信号に基づいて前記調光手段を制御することにより前記光変調手段を照明する光の光量を調節するとともに、前記映像信号を前記制御信号に基づいて伸張し、この伸張した映像信号を前記光変調手段に供給することによって映像を生成することを特徴とする投射型表示装置の駆動方法。
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