JP4961193B2 - 投射型表示装置およびそれを用いたマルチ画面表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ランプからの光を反射鏡で反射させ、その反射光を表示素子で映像信号により変調し、投射レンズで拡大してスクリ−ン上に投射する投射型表示装置に係わり、特に、複数の投射型表示装置により１つの画面を表示させるマルチ画面表示装置に好適な投射型表示装置に関する。

従来からの投射型表示装置として、例えば特開平１１−２８１９２３号公報に開示されているものがある。図８は、上記公報に開示されている光束制御手段を備えた投射型表示装置の構成図である。図７は、上記公報での従来技術を示す図である。

図７において、１は白色光を放射するランプ、２はランプ１の発光体である。３はランプ１からの光を反射する軸対称回転曲面を有する反射鏡で、ランプ１の発光体２は反射鏡３の略焦点に配置されており、ランプ１からの光は反射鏡３で反射され、主光軸（図７で一点鎖線で示す）に平行な光線となる。４は複数行複数列に配列された矩形形状のレンズセルの集合体である第１レンズアレイ、４ｉは第１レンズアレイ４の任意のレンズセル、５は第１レンズアレイ４の各レンズセルの略焦点位置にそれぞれ対応して配置されたレンズセルの集合体である第２レンズアレイで、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５でインテグレ−タを構成している。５ｉは第１レンズアレイ４のレンズセル４ｉに対応する第２レンズアレイ５のレンズセル、６は第１の集光レンズ、７は第２の集光レンズ、８は表示素子である液晶パネル、９は投射レンズでその内部に開口絞り１０をそなえている。尚、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５の各レンズセルの形状は、矩形形状で液晶パネル８に略相似な形状を有する。

ランプ１からの光は反射鏡３で反射され、主光軸に平行な光線となり、第１レンズアレイ４に入射する。入射した平行光は第１レンズアレイ４の各レンズセルで第１レンズセル数に対応する光束群に分割され、第２レンズアレイ５の対応する各レンズセルに集光される。各レンズセルに集光された光束は、第２レンズアレイ５の対応する各レンズセルと第１の集光レンズ６で拡大され、液晶パネル８にそれぞれ重畳して入射する。このようにして、均一照明が実現される。第２レンズアレイ５の各レンズセルと第１の集光レンズ６は、第１レンズアレイ４の各レンズセルと液晶パネル８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）となるように設けられているので、例えば、第１レンズアレイ４のレンズセル４ｉで集光された光束は、対応する第２レンズアレイ５のレンズセル５ｉと第１の集光レンズ６を通って液晶パネル８上に拡大照射される。このようにして、第１レンズアレイ４の各レンズセルで分割された各光束は、それぞれ液晶パネル８上に重畳され、均一照射を実現している。

第２の集光レンズ７は、入射する光束を投射レンズ９の開口に効率よく透過させるためのレンズで、投射レンズ９の入射瞳位置に光束が集光するように設定されている。

液晶パネル８からの出射光は投射レンズ９で拡大されて、スクリ−ン１１に投射される。しかし、投射レンズ９のレンズ口径が液晶パネル８からの出射光束に対して十分に大きければ問題ないが、レンズ口径が大きくなるとレンズ価格が大幅にアップし、またレンズの収差も大きくなるので、投射レンズ９の周辺部（レンズエッジ部）を透過する光束については、レンズエッジにおいて所望の方向とは全く異なる方向へ屈折する（以下、蹴られると称す）場合がある。図７において、Ｌ１、Ｌ２は反射鏡３の回転軸中心から離れた周辺部（周縁部）で反射された周辺光で、投射レンズ９のレンズエッジで蹴られる様子を示している。

一般に光の旋光性や複屈折性を有する液晶表示素子の出射光が入射角依存性を有することは広く知られており、上記のように液晶パネル８からの出射光の周辺光が投射レンズ９のレンズエッジで蹴られると、スクリ−ンの周辺で輝度むらが発生し、更にこの輝度むらは３板方式の液晶パネルを用いた場合には色むらとなって現れることも知られている。

そこで、投射レンズで蹴られないように光束制御手段を備えた投射型表示装置が上記公報に開示されている。図８はその投射型表示装置の構成図である。

図８において、１２は光束制御手段であり、図７に対応する構成要素には同一符号を付して説明を省略する。光束制御手段１２は、第１レンズアレイ４の焦点位置近傍で、第２レンズアレイ５と集光レンズ６との間に配置されている。

図８において、周辺光であるL１、Ｌ２は光束制御手段１２で遮蔽されるので、液晶パネル８からの出射光束は投射レンズ９のレンズエッジで蹴られることはない。これにより輝度むらや色むらを改善することができる。

特開平１１−２８１９２３号公報

しかし、上記従来技術では、前記光束制御手段１２は第１レンズアレイ４の略焦点位置に配置された第２レンズアレイ５の近傍に設けられており、反射鏡３で反射されたランプ１からの平行光が光束制御手段１２近傍で集光するので、光吸収により高温となり、耐熱温度の高い材料の使用や放熱の高効率化が必要であり、コストアップの要因となっていた。さらに、放熱するにも放熱のためのスペ−スを必要とするが、光束制御手段は近接して配置された第２レンズアレイと第１の集光レンズとの間に設けられているため、そのスペ−スを確保しにくい問題もある。

また、下記の問題も有する。反射鏡３は、ランプ１からの光を主光軸に平行となるよう反射する形状を有しているが、一般に軸対称回転放物面形状の鏡が使用されている。軸対称回転放物面鏡の回転軸中心近傍は精密に軸対称回転放物面形状とできるが、回転軸中心から離れるに従い放物面形状からの製作ずれが大きくなる傾向がある。従って、反射鏡３の周辺部での反射光は、主光軸に平行な光とともに、主光軸に傾斜した光も含まれる。この傾斜した反射光（以下迷光と称す）は図９を用いて以下に述べるようにコントラストの低下を招く。

図９は、迷光によるコントラストの低下を説明する図である。図９では、説明をわかり易くするため、コントラストの低下に関係する主光軸側に傾斜した迷光Ｌａのみを示す。

図９において、Ｌａは反射鏡３の周辺部で生じる主光軸側に傾斜した迷光（太く長い点線で示す）である。４１、４２、４３は第１レンズアレイ４のレンズセルで、５１、５２、５３はレンズセル４１、４２、４３にそれぞれ対応する第２レンズアレイ５のレンズセルである。図７に対応するその他の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

迷光Ｌａは第１レンズアレイ４の周辺部のレンズセルである４３に入射する。迷光Ｌａが主光軸に平行であれば、レンズセル４３を通った光はレンズセル４３に対応する第２レンズアレイ５のレンズセル５３に入射するが、迷光Ｌａは主光軸に傾斜しているため、レンズセル４３を通った光は第２レンズアレイ５のレンズセル５３に入射せず、例えば第２レンズアレイ５の主光軸側のレンズセル５２に入射し、光束制御手段１２で遮光されることなく、第１の集光レンズ６、第２の集光レンズ７を通って、液晶パネル８上に照射する。迷光Ｌａは主光軸に平行でないので、液晶パネル８上の平行光の場合とは異なった位置に照射するため、迷光Ｌａの照射した位置では、黒画面において局部的に明るくなり、コントラストの低下を招く。

本発明の目的は、上記した課題である、投射レンズのレンズエッジでの蹴られで生じる輝度むらと色むらを低減する光束制御手段の耐熱温度を下げるとともに、迷光に起因するコントラストの低下を軽減する投射型表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本願発明は、ランプからの光を反射鏡で反射させる光源から入射する光束を、複数行複数列に配列された矩形形状のレンズセルの集合体である第１レンズアレイと第２レンズアレイで構成された均一照明装置である所謂インテグレ−タで、前記レンズアレイのレンズセル数に対応する光束群に分割し、液晶表示素子上に重畳して均一照射し、前記液晶表示素子で映像信号により光変調して、投射レンズで拡大し、スクリ−ン上に投射する投射型表示装置であって、前記光源と前記インテグレ−タとの間に、前記光源から前記インテグレ−タに入射する光束を制御する光束制御手段を備え、前記光源から前記インテグレ−タへの入射光束のうち、前記光源の反射鏡の周辺部からの入射光束を、前記光束制御手段で遮光することにより前記スクリ−ン上の輝度むらを低減するように構成した。

また、前記光束制御手段の開口形状は、前記光源から前記インテグレ−タへの入射光束が前記インテグレ−タを構成する複数の矩形形状のレンズセルのうちの所望の複数のレンズセルに入射する光束となるように、前記所望の複数の矩形形状のレンズセルに対応した矩形形状の集合形状となる構成とした。

さらに、前記光束制御手段の開口形状は、可変自在であって、加えて、前記光束制御手段の開口形状が、前記矩形形状の１つのレンズセルに対応した矩形形状領域の絞り方向に平行な１辺の長さを基準単位として、前記基準単位の整数倍のステップで可変できる構成とした。

本発明によれば、光束制御手段を光源と第１レンズアレイとの間に設けることにより、光束制御手段の耐熱温度を下げるとともに、迷光に起因するコントラスト低下を軽減することができる。

以下、本発明の実施の形態である投射型表示装置について図を用いて説明する。

図１は、本発明による投射型表示装置の１実施の形態を示す構成図である。

図１において、１３は本発明による光束制御手段で、ランプ１と反射鏡３とからなる光源と第１レンズアレイ４との間に、温度を少しでも低くする目的で第１レンズアレイ４の近傍に設けられており、図８の光束制御手段１２と同様、図７で述べた投射レンズ９のレンズエッジで蹴られる光Ｌ１、Ｌ２を遮光するものである。図７に対応するその他の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

反射鏡３の回転軸中心から離れた周辺部（周縁部）からの平行光線Ｌ１、Ｌ２は、図１より明らかなように、光束制御手段１３で遮光されるので、投射レンズ９（図１では図示せず）のレンズエッジで蹴られることはなく、投射レンズ９のレンズエッジでの蹴られで生じる輝度むら、色むらをなくすことができる。この場合光束制御手段１３は、第１レンズアレイ４のレンズセル４３に入射するL１を含む全ての光束を遮光するように設けられている。もし、レンズセル４３の１部に光束が入射すると、先に述べた第１レンズアレイ４のレンズセル４ｉと液晶パネル８の共役関係から、液晶パネル８上で光束が照射された部分とそうでない部分ができ、輝度むらが生じることとなる。このように、光束制御手段１３は、第１レンズアレイ４のレンズセル単位で遮光できるように配置されている。

また、光束制御手段１３は、ランプ１と反射鏡３とからなる光源と第１レンズアレイ４との間に設けられているので、第１レンズアレイ４の焦点近傍に配置された図８の光束制御手段１２と異なり、光束の集光がないので、図８での光束制御手段１２と比べ、温度の上昇を低くすることができ、耐熱温度の低い部材を使用できる。

さらに、光束制御手段１３は、ランプ１と反射鏡３とからなる光源と第１レンズアレイ４との間に設けられているので、主光軸と垂直な方向に空間スペ−スを確保でき、放熱面積を大きくする等して、放熱が容易となる。

反射鏡３の回転軸中心より離れた周辺部で生じる迷光Ｌａによって引起こされるコントラストの低下についても、図１で明らかなように迷光Ｌａが光束制御手段１３で遮光されるので、これを軽減することができる。

かつ、ランプ１から反射鏡３で反射せず直接放射される光（図示せず）のうち、迷光の場合と同じ理由でコントラストの低下を引起こす主光軸に傾斜した主光軸から遠ざかる方向の光（図示せず）の一部を、光束制御手段１３で遮光できる利点もある。

図２は、光束制御手段１３の第１の実施の形態を示す図である。光束制御手段１３は円形開口の絞りで、反射鏡３の回転軸中心から離れた周辺部（周縁部）からの平行光線Ｌ１、Ｌ２と迷光Lａを遮光するように構成されている。４２'は第１レンズアレイ４のレンズセルである。図７に対応するその他の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。尚、レンズセルは液晶パネルの表示領域に略相似であるので、液晶パネルの表示領域が例えば横縦比４：３の矩形であれば各レンズセルもまた横縦比が略４：３の矩形形状である。以下、各レンズセルは横縦比が略４：３の矩形形状とする。

図３は、光束制御手段１３の第２の実施の形態を示す図である。光束制御手段１３は、カメラ等で広く使用されている円形開口の可変絞りを適用したものである。

図２では、光束制御手段１３は円形開口の絞りであるため、光束制御手段１３の円形開口周辺部の光束が入射する第１レンズアレイ４のレンズセル例えば図２のレンズセル４２'では、矩形形状の一部に光束が入射するので、このレンズセルで液晶パネル上に照射された像では輝度むらが生じることとなる。図３の光束制御手段１３でも円形開口を使用した可変絞りであるので、同様に輝度むらが生じる。

そこで、ランプ１と反射鏡３とからなる光源からインテグレ−タを構成する第１レンズアレイ４への入射光束が、第１レンズアレイ４を構成する複数の矩形形状のレンズセルのうちの所望の複数のレンズセルに入射する光束となるように、図４のように光束制御手段１３の絞りを、前記所望の複数の矩形形状のレンズセルに対応した矩形形状の集合形状の開口（図４の太線で囲まれた領域）とすれば、光束制御手段１３の矩形形状の集合形状の開口周辺部からの光束が入射する第１レンズアレイ４のレンズセル（例えば４２'）では、レンズセル全体に光束が入射するので、輝度むらを生じない。

図５は、光束制御手段１３の絞りを矩形形状の集合形状の開口の可変絞りとしたものである。可変絞りとすることにより、投射される映像信号の画質、明るさにあわせて、輝度むら、色むらを絞りで最適に調整することができる。しかし、絞りを連続可変とすると、前記した円形開口絞りの場合と同様に、輝度むらが生じる。そこで、第１レンズアレイ４への光束制御が、１つの矩形形状のレンズセルに対応する領域の絞り方向に平行な１辺の長さを基本単位として、基本単位の整数倍のステップで絞りの可変ができるように、図５の光束制御手段１３は構成されている。但し、この場合、図５で示されるように第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ５は、主光軸に対して垂直な面内で第１レンズアレイのレンズセルの矩形形状の短辺に平行で主光軸に交叉する軸Ｙに対して、対称となるようにレンズセル集合が設けられているものとしている。尚、Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とする。

図５（ａ）は可変開口絞りである光束制御手段１３の構成を示す図で、図５（ａ）において、１３ａは光束を遮光する第１のプレ−ト、１３ｂは光束を遮光する第２のプレ−トで、第１のプレート１３ａと第２のプレート１３ｂは、図５（ａ）に示すようにレンズアレイのレンズセルと同形状の辺を持つプレートである。全出図に対応するその他の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。光束制御手段１３は第１のプレ−ト１３ａと第２のプレ−ト１３ｂとから構成されており、Ｘ軸に平行であって矢印で示す方向に移動させて、レンズアレイのレンズセル形状にあわせた開口形状を自在に可変して、光源からの光束を遮光するものである。

図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は光束制御手段１３の可変絞りの状態を示す図である。図５（ｂ）は、絞りを開放した場合であり、第１レンズアレイ４の各レンズセルは光源からの光束を光束制御手段１３にて遮光されていない。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の開放絞り状態から矢印方向に、第１のプレ−ト１３ａと第２プレ−ト１３ｂを、矩形形状のレンズセルの１長辺の長さに対応する１ステップ分移動させたものである。図５（ｄ）は、図５（ｃ）の状態から、さらに第１のプレ−ト１３ａと第２プレ−ト１３ｂをレンズセルの１長辺の長さに対応する１ステップ分移動させたものである。図５（ｄ）は、光束制御手段１３での光束制御（遮光効果）が最大の状態を示している。本例では説明を平易とするため、レンズアレイの行数と列数を６行と８列とし、可変のステップを３段階として説明したが、実際はレンズアレイの行数と列数はもっと大きいので、本例のように可変のステップが３段階に限定されることはないのは明らかである。また、可変のステップもレンズセルの１長辺の長さに対応する長さに限定されるものではなく、このレンズセルの１長辺の長さに対応する長さを基本単位として、この基本単位の整数倍で例えば基本単位x２のステップでの可変絞りとしてもよく、さらに、基本単位、基本単位ｘ２、基本単位x４等のステップを任意に組合わせての可変絞りとすることもよい。これは、第１のプレ−ト１３ａと第２プレ−ト１３ｂの形状を少し変更することにより容易に実現でき、これ以上詳述はしない。

図５では、第１のプレ−ト１３ａと第２プレ−ト１３ｂで構成する可変絞りの方向をＸ軸方向としたが、Ｙ軸方向での可変絞りとなるように第１のプレ−ト１３ａと第２プレ−ト１３ｂを設けてもよいことは明らかである。

以下、大画面表示装置として、背面投射型表示装置を複数台組合わせて、その複数台の画面（所謂マルチ画面）で１つの画面を表示させることができるマルチ画面システムに本発明を適用した実施の形態ついて説明する。

図６は、複数のスクリーン面からなるマルチ画面システムの従来の実施例である。図６において２０、２１、２２と２３はそれぞれマルチ画面を構成するスクリ−ンである。

図６は、前記マルチ画面システムを構成する各背面投射型液晶表示装置で白表示を行った場合を示し、光源の明るさのばらつき等により、同じ白表示において複数のスクリーン面間で白輝度が異なり、例えば図６のように複数のスクリーン面間で２０、２１、２２、２３の順に白輝度が小となり、各スクリーン面間の白輝度差が生じている。

そこで、本発明による光束制御手段を、各背面投射型液晶表示装置の光源と第１レンズアレイとの間に設ける。

この時、例えば光束制御手段として、図５で示す矩形形状の集合形状の開口可変絞りの光束制御手段を用い、各背面投射型液晶表示装置にそれぞれ設けた光束制御手段の矩形形状の集合形状の開口サイズを各スクリーンの白輝度レベルにより２３、２２、２１、２０の順に絞ることで複数のスクリーン面間の輝度差を低減することができる。

本発明による投射型表示装置の１実施の形態を示す構成図である。 光束制御手段の１実施の形態を示す図である。 光束制御手段の他の実施の形態を示す図である。 矩形形状のレンズセルに対応した開口形状を有する光束制御手段の１実施の形態を示す図である。 矩形形状のレンズセルに対応した開口形状を可変とする光束制御手段の１実施の形態を示す図である。 マルチ画面システムの従来のスクリ−ンの実施例で、白画面を表示した例を示す図である。 表示素子からの出射光が投射レンズで蹴られる従来技術を示す図である。 光束制御手段を備えた投射型表示装置の構成図である。 迷光による輝度むらの発生を説明するための図である。

符号の説明

１…ランプ、２…発光体、３…反射鏡、４…第1レンズアレイ、４ｉ…第1レンズアレイの任意のレンズセル、５…第2レンズアレイ、５ｉ…４ｉに対応する第２レンズアレイの任意のレンズセル、６…第1の集光レンズ、７…第２の集光レンズ、８…液晶パネル、９…投射レンズ、１０…投射レンズ９の開口絞り、１１…スクリーン、１２…光束制御手段、１３…光束制御手段、２０…マルチ画面を構成するスクリ−ン、２１…マルチ画面を構成するスクリ−ン、２２…マルチ画面を構成するスクリ−ン、２３…マルチ画面を構成するスクリ−ン、４１,４２,４３…第１レンズアレイのレンズセル、５３…第２レンズアレイのレンズセル、Ｌ１,Ｌ２…周辺光、Ｌａ…迷光。

Claims (12)

1. ランプからの光を反射させる反射鏡を有する光源と、
   複数の矩形形状のレンズセルの集合体である第１レンズアレイと第２レンズアレイとを有し、前記光源からの光が入射するインテグレータと、
   前記インテグレータを透過した光を映像信号に応じて変調する液晶表示素子と、
   前記液晶表示素子からの映像光をスクリーン上に拡大投射する投射レンズと、
   前記光源と前記インテグレータの間に配置され、前記光源からの光束を制御する光束制御手段とを有し、
   前記光束制御手段は、２枚のプレートが移動することにより光束を制御し、
   前記２枚のプレートのそれぞれの遮光端部の形状は前記レンズセルの矩形形状に対応した段付形状である、投射型表示装置。
2. 前記２枚のプレートは、１軸方向に対向して、多段階に移動する、請求項１記載の投射型表示装置。
3. 前記２枚のプレートは、１軸方向に対向して、多段階に移動し、当該多段階の移動により、前記複数のレンズセルのうち所定のレンズセルに対応した矩形形状の集合形状の開口を複数種類形成可能とする、請求項１記載の投射型表示装置。
4. 前記１軸方向の移動により、該１軸方向及び該１軸方向とは垂直な１軸方向の、２軸に沿った絞りを可変可能とする、請求項２記載の投射型表示装置。
5. 前記２枚のプレートのそれぞれの遮光端部の形状は、前記光束の光軸に対して対称である、請求項１乃至４何れか一に記載の投射型表示装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の投射型表示装置を複数台組合わせて構成される、マルチ画面表示装置。
7. 前記複数の投射型表示装置の前記光束制御手段を制御することにより、該複数の投射型表示装置間の輝度差を抑える、請求項６記載のマルチ画面表示装置。
8. ランプからの光を反射させる反射鏡を有する光源と、
   複数の矩形形状のレンズセルの集合体である第１レンズアレイと第２レンズアレイとを有し、前記光源からの光が入射するインテグレータと、
   前記インテグレータを透過した光を映像信号に応じて変調する液晶表示素子と、
   前記液晶表示素子からの映像光をスクリーン上に拡大投射する投射レンズと、
   前記光源と前記インテグレータの間に配置され、前記光源からの光束を制御する光束制御手段とを有し、
   前記光束制御手段は、２枚のプレートが移動することにより光束を制御し、
   前記２枚のプレートのそれぞれの遮光端部の形状は前記レンズセルの矩形形状に対応した凹凸形状である、投射型表示装置。
9. 前記２枚のプレートは、１軸方向に対向して、多段階に移動する、請求項８記載の投射型表示装置。
10. 前記１軸方向の移動により、該１軸方向及び該１軸方向とは垂直な１軸方向の、２軸に沿った絞りを可変可能とする、請求項９記載の投射型表示装置。
11. 前記２枚のプレートのそれぞれの遮光端部の形状は、前記光束の光軸に対して対称である、請求項８乃至１０何れか一に記載の投射型表示装置。
12. ランプからの光を反射させる反射鏡を有する光源と、
    複数の矩形形状のレンズセルの集合体である第１レンズアレイと第２レンズアレイとを有し、前記光源からの光が入射するインテグレータと、
    前記インテグレータを透過した光を映像信号に応じて変調する液晶表示素子と、
    前記液晶表示素子からの映像光をスクリーン上に拡大投射する投射レンズと、
    前記光源と前記インテグレータの間に配置され、前記光源からの光束を制御する光束制御手段とを有し、
    前記光束制御手段は、２枚のプレートが１軸方向に対向して、多段階に移動することにより光束を制御し、
    前記１軸方向の移動により、該１軸方向及び該１軸方向とは垂直な１軸方向の、２軸に沿った絞りを可変可能とする、投射型表示装置。

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