JP6987596B2

JP6987596B2 - 投射型表示装置

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Publication number: JP6987596B2
Application number: JP2017201822A
Authority: JP
Inventors: 矩行夏目
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: US10915012B2; JP2019074686A; US20190113831A1

Description

本発明は、調光装置を有する投射型表示装置に関する。

投射型表示装置において、コントラストの向上や明るさの制御を目的として、液晶パネルよりも光源側の光路に調光装置を配置することがある。調光装置の方式として、並行移動方式および観音開き方式の２つの方式が知られている。並行移動方式は、２枚の遮光板を照明光の光軸に対して垂直な面内で互いに移動させることにより、遮光量を調整する方式である。一方、観音開き方式は、２枚の遮光板を照明光の光軸に垂直な軸を中心として互いに反対の方向に回動させることにより、遮光量を調整する方式である。

観音開き方式の調光装置は、並行移動方式の調光装置と比較して、スペース効率が良く、少ない部品数で構成することが可能である。このため、投射型表示装置の照明系に調光装置を設ける場合、観音開き方式の調光装置が採用されることが多い。

特許文献１には、遮光板に屈曲部を設け、全閉状態における周辺光の遮光率を向上させた観音開き方式の調光装置が開示されている。

特許第５６８２１５４号公報

特許文献１に開示された調光装置では、全閉状態における周辺光の遮光率を向上させることはできるが、全閉状態から遮光量が減少する位置（半開状態）に移動すると、周辺光を遮光することができない。ここで、２枚の遮光板を光軸方向において互いに離して配置するとともに、半開状態において２枚の遮光板の一部が光軸方向から見たときに重なるように配置することで、半開状態でも周辺光の遮光率を向上させることが可能である。

しかしながら、２つの遮光板の光軸方向における位置が互いに異なると、遮光される照明光が左右不均一になり、投影画像の照度ムラが発生しやすくなる。

そこで本発明は、周辺光を遮光して効率的にコントラストを向上させつつ、投影画像の照度ムラを抑制することが可能な投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての投射型表示装置は、入射光束を反射する偏光分離面と、前記偏光分離面により反射した光束を反射する反射面とを有し、偏光変換された変換光束を出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子から出射した前記変換光束を遮光する第１の遮光板と第２の遮光板とを有し、前記第１の遮光板と前記第２の遮光板とを駆動して調光を行う調光装置とを有し、前記変換光束の光軸は、前記偏光変換素子により前記入射光束の光軸に対してシフトし、前記第１の遮光板は、前記第２の遮光板よりも前記変換光束の前記光軸に近い位置に配置されているとともに、前記偏光変換素子に対して前記第２の遮光板よりも近い位置に配置されている。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、周辺光を遮光して効率的にコントラストを向上させつつ、投影画像の照度ムラを抑制することが可能な投射型表示装置を提供することができる。

本実施形態における投射型表示装置の光学ユニットの構成図である。本実施形態における調光装置の構成図である。本実施形態における調光装置の通常状態および遮光状態を示す図である。本実施形態における調光装置と光線との関係を示す図である。本実施形態における照度ムラ低減効果の説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における投射型表示装置（プロジェクタ）２の光学ユニットについて説明する。図１は、投射型表示装置１の光学ユニット（光学系）の構成図である。図１（ａ）および図１（ｂ）は、互いに直交する方向から見た投射型表示装置１（光学ユニット）の断面図を示している。

２は、連続スペクトルで白色光を発光する超高圧水銀ランプ等の光源である。３から８は、後述の反射型液晶パネル（画像表示素子）に光を導く照明光学系である。３は矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズ、４は第１のフライアイレンズ個々のレンズに対応したレンズを有する第２のフライアイレンズである。５は、無偏光光を所定の偏光方向を有する光に揃える偏光変換素子である。６は、偏光変換素子５により偏光変換（偏光分離）された光束を集光する第１のコンデンサーレンズである。７は、第１のコンデンサーレンズ６からの光束を反射して略直角に曲げるミラー（反射ミラー）である。８は、第２のコンデンサーレンズである。

１０は、Ｒ（赤色）、Ｂ（青色）光を反射し、Ｇ（緑色）光を透過するダイクロイックミラーである。１１は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するＧ用の偏光ビームスプリッタである。１２は、Ｓ偏光のままのＲ光を反射し、Ｐ偏光に変換されたＢ光を通過させることにより色分離を行うＲＢ用の偏光ビームスプリッタである。１３はＧ色用の反射型液晶パネル、１４、１５は同様にそれぞれＲ用、Ｂ用の反射型液晶パネルである。反射型液晶パネル１３、１４、１５は、偏光ビームスプリッタ１１、１２により導かれた光源２からの光を変調して所望の画像を形成する。

１６、１７、１８はそれぞれ、赤色用の１／４波長板、緑色用の１／４波長板、青色用の１／４波長板である。１９は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光を合成するための合成用偏光ビームスプリッタである。合成用偏光ビームスプリッタ１９は、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムに代用可能である。２０は、合成用偏光ビームスプリッタ１９により合成された光を不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する投射レンズである。すなわち、投射型表示装置１は、光源２から射出された光を、反射型液晶パネル１３、１４、１５に分離して導き、各々の反射型液晶パネルで反射された光を投射レンズ２０により被投射面に投射する。１００は調光装置である。調光装置１００は、光源２から射出された光（光束）の一部を遮光することにより、反射型液晶パネル１３、１４、１５に入射する光量を調整する。

次に、図２を参照して、本実施例における調光装置１００について説明する。図２は、調光装置１００の構成図であり、互いに直交する方向から見た図を示している。１０１は、板金で構成されたベース部材である。ベース部材１０１には、一対の金属シャフト１０２がカシメられている。１０３は、互いに噛み合う一対のギヤ（回動部材）である。一対のギヤ１０３はそれぞれ、一対の金属シャフト１０２に対して回転自在に支持される。

１０４ａは遮光板（第１の遮光板）、１０４ｂは遮光板（第２の遮光板）である。一対の遮光板１０４ａ、１０４ｂはそれぞれ、一対のギヤ１０３に固定されている。１０５は、一対のギヤ１０３の一方に駆動力を与えるアクチュエータである。アクチュエータ１０５は、モータとピニオンギヤとを備えて構成されている。カバー部材１０６は、ベース部材１０１に取り付けられている。金属シャフト１０２およびカバー部材１０６により、一対のギヤ１０３のスラスト方向の移動が規制される。アクチュエータ１０５により、一対のギヤ１０３のうちの一方が回動すると、他方のギヤ１０３に駆動力が伝達される。一対のギヤ１０３の回動に伴って、一対の遮光板１０４ａ、１０４ｂは一対の金属シャフト１０２の中心を回転軸として回動する。調光装置１００は、一対の遮光板１０４ａ、１０４ｂの回動角度に応じて、一対の遮光板１０４ａ、１０４ｂにより遮光される光量を増減させることにより調光を行う。

次に、図３を参照して、調光装置１００の状態について説明する。図３は、調光装置１００の遮光板１０４ａ、１０４ｂの状態（開閉状態）を示す図である。図３（ａ）は調光装置１００の遮光量が最大の状態（全開状態）を示し、図３（ｂ）は調光装置１００の遮光量が最小の状態（全閉状態）をそれぞれ示している。図３（ａ）に示される全開状態では、有効光束は遮光板１０４ａ、１０４ｂで遮光されない。一方、図３（ｂ）に示される全閉状態では、有効光束の大部分が遮光板１０４ａ、１０４ｂにより遮光され、有効光束の一部のみが通過する。

次に、図４を参照して、調光装置１００と偏光変換素子５との関係について説明する。図４（ａ）は、比較例して、調光装置１００を偏光変換素子５の前段に配置した状態を示す図である。図４（ｂ）は、本実施例のように調光装置１００を偏光変換素子５の後段に配置した状態を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は、全閉状態を示しており、調光装置１００は、一対のギヤ１０３の回動に伴って遮光板１０４ａ、１０４ｂが矢印方向に回動することにより、光束の遮光量を調整する。

図４（ａ）に示されるように、光軸ＯＡに沿った方向（光軸方向）における一対の遮光板１０４ａ、１０４ｂの位置が互いに異なると、図４（ａ）の左右で遮光量が互いに異なってしまう。その結果、投影画面上で照度ムラが生じやすくなる。照度ムラは、調光装置１００の遮光量が大きいほど顕著になる。一方、図４（ｂ）に示されるように、調光装置１００を偏光変換素子５の後段に配置することにより、照度ムラを低減することができる。好ましくは、図４（ｂ)中の一対の遮光板１０４ａ、１０４ｂの光軸方向における位置を、偏光変換素子５のピッチＰに合わせて適切に設定することにより、照度ムラをより効果的に低減することができる。

図４（ｂ）に示されるように、偏光変換素子５は、偏光分離面５１、反射面５２、および、λ／２板５３を有する。偏光分離面５１は、入射光束を所定の方向に反射する。反射面５２は、偏光分離面５１により反射した光束を遮光板１０４ａ、１０４ｂに向けて反射する。偏光分離面５１および反射面５２はそれぞれ、交互に複数設けられている。複数の偏光分離面５１および複数の反射面５２は光軸ＯＡに対して全て同一の方向に傾斜している。λ／２板５３は、反射面５２により反射された光束の位相を変化させるように、偏光変換素子５の出射面上の所定の位置に配置されている。

図４（ｂ）において、Ｗ１は、有効光束のうち、偏光変換素子５を透過した光束Ｒ１の、偏光変換素子５の出射面における幅である。Ｗ２は、有効光束のうち、偏光変換素子５を反射した光束Ｒ２の、偏光変換素子５の出射面における幅である。ここで、偏光変換素子５のピッチをＰ、偏光変換素子５への光線の入射角をθとすると、光束Ｒ１、Ｒ２のそれぞれの光路長Ｌ１、Ｌ２は、以下の式（１）のような関係になる。

Ｌ２＝Ｌ１＋Ｐ／ＳＩＮθ … （１）
これにより、幅Ｗ１、Ｗ２はそれぞれ、以下の式（２）、（３）のように表すことができる。

Ｗ１＝２×Ｌ１×ＳＩＮθ … （２）
Ｗ２＝２×Ｌ１×ＳＩＮθ＋Ｐ … （３）
ここで、偏光変換素子５のピッチＰとは、隣接する偏光分離面５１と反射面５２との間の距離（光軸ＯＡに垂直な方向における距離）に相当する。なお本実施形態において、反射面５２に代えて偏光分離面５１を設けてもよい。この場合、ピッチＰは、隣接する偏光分離面５１の間の距離となる。

式（２）、（３）から分かるように、偏光変換素子５により反射されシフトされた光束は、偏光変換素子５のピッチＰ分だけ、光線の広がり（幅）が大きくなる。そこで全閉状態において、遮光板（第２の遮光板）１０４ｂに対して図４（ｂ）における左側（所定の方向）に配置された遮光板（第１の遮光板）１０４ａを、偏光変換素子５に対して遮光板１０４ｂよりも近い位置に配置する。ここで、所定の方向とは、偏光変換素子５の入射光束が偏光分離面５１により反射される方向である。換言すると、遮光板１０４ｂを、偏光変換素子５に対して、遮光板１０４ａよりも光軸方向における距離が遠い位置に配置する。これにより、遮光板１０４によりケラレる光束（光線の広がり）を右側と左側とで近づける（好ましくは互いに等しくする）ことができる。したがって、最も照度ムラが生じやすい全閉状態において、図４（ｂ）のように左右の遮光板１０４ａ、１０４ｂによる遮光量が等しくなるように遮光板１０４ａ、１０４ｂの光軸方向における位置を調整して配置する。その結果、効果的に照度ムラを低減することができる。

好ましくは、全閉状態において、右側の遮光板１０４ｂが左側の遮光板１０４ａに対して、偏光変換素子５のピッチＰだけ光軸方向に離れるように配置する。ただし、遮光板１０４ａ、１０４ｂの開度を大きくする（遮光板１０４ａ、１０４ｂを開きやすくする）には、光軸方向における遮光板１０４ａと遮光板１０４ｂとの間の距離ｄを大きくする必要がある。このため本実施例において、距離ｄとピッチＰとが以下の式（４）で表される関係を満たすことが好ましい。

１．０≦ｄ／Ｐ≦２．５ … （４）
次に、図５を参照して、本実施形態における照度ムラ低減効果について説明する。図５は、照度ムラ低減効果の説明図である。図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、図４（ａ）、（ｂ）の場合の投影画面内の照度データを示している。図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、図５（ｂ）の照度データのほうが、照度ムラをより低減することができていることが分かる。

調光装置１００は、光学性能を向上させるため、偏光変換素子５から離れた位置に配置することが好ましい。このような構成により、例えば、光源２から調光装置１００までの距離が長くなり、調光装置１００からの反射光が光源２に戻る量を小さくすることができる。好ましくは、第１のコンデンサーレンズ６は、偏光変換素子５と調光装置１００との間の光路に配置されている。より好ましくは、ミラー７は、第１のコンデンサーレンズ６と調光装置１００との間の光路に配置されている。更に好ましくは、調光装置１００は、ミラー７と第２のコンデンサーレンズ８との間の光路に配置されている。

このように、観音開き方式の調光装置１００において、偏光変換素子５により光線がシフトされる方向に位置する遮光板１０４を、他方の遮光板１０４に対して偏光変換素子５に近づける。このため本実施形態によれば、周辺光を遮光して効率的にコントラストを向上させつつ、投影画像の照度ムラを抑制することが可能な投射型表示装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、本実施形態は観音開き方式の調光装置１００について説明したが、本発明は並行移動方式の調光装置にも適用可能である。

１投射型表示装置
５偏光変換素子
１００調光装置
１０４ａ遮光板（第１の遮光板）
１０４ｂ遮光板（第２の遮光板）

Claims

入射光束を反射する偏光分離面と、前記偏光分離面により反射した光束を反射する反射面とを有し、偏光変換された変換光束を出射する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子から出射した前記変換光束を遮光する第１の遮光板と第２の遮光板とを有し、前記第１の遮光板と前記第２の遮光板とを駆動して調光を行う調光装置と、を有し、
前記変換光束の光軸は、前記偏光変換素子により前記入射光束の光軸に対してシフトし、
前記第１の遮光板は、前記第２の遮光板よりも前記変換光束の前記光軸に近い位置に配置されているとともに、前記偏光変換素子に対して前記第２の遮光板よりも近い位置に配置されている
ことを特徴とする投射型表示装置。
前記調光装置は、一対の回動部材の回動に伴って前記第１の遮光板および第２の遮光板が回動することにより、前記変換光束の遮光量を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
光軸方向における前記第１の遮光板と前記第２の遮光板との間の距離をｄ、前記光軸方向と垂直な方向における前記偏光変換素子のピッチをＰとするとき、
１．０≦ｄ／Ｐ≦２．５
を満たす
ことを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
前記偏光変換素子により偏光変換された前記変換光束を集光する第１のコンデンサーレンズを更に有し、
前記第１のコンデンサーレンズは、前記偏光変換素子と前記調光装置との間の光路に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
前記第１のコンデンサーレンズからの光束を反射するミラーを更に有し、
前記ミラーは、前記第１のコンデンサーレンズと前記調光装置との間の光路に配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。
第２のコンデンサーレンズを更に有し、
前記調光装置は、前記ミラーと前記第２のコンデンサーレンズとの間の光路に配置されている
ことを特徴とする請求項５に記載の投射型表示装置。
前記偏光変換素子は、前記偏光分離面として、同一の方向に傾斜した複数の偏光分離面を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
前記反射面は、前記偏光分離面により反射された光束を前記第１の遮光板に向けて反射する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
前記偏光変換素子は、前記反射面により反射された光束の位相を変化させるλ／２板を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の投射型表示装置。