JPWO2008132831A1 - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

光源１と、入力信号に応じて出射光の進行方向を制御する反射型ライトバルブ９と、光源からの光を照明光として反射型ライトバルブに集光する照明光学系２、３、４、６ａと、反射型ライトバルブからの出射光を投写する投写レンズ１０と、照明光学系の瞳の位置に配置され光源からの光の一部を遮光する第１絞り７と、投写レンズの瞳の位置に配置され反射型ライトバルブからの出射光の一部を遮光する第２絞り８を備える。照明光のうち反射型ライトバルブの表面により反射された光が投写レンズの瞳に入射する不要光を、第１絞りと第２絞りの組み合わせにより遮光する。第１絞りの遮光領域は、照明光学系の瞳の不要光の範囲に対応する領域を弦方向の線で分割して得られる外周側の分割領域に対応し、第２絞りの遮光領域は、中心側の分割領域に対応する形状及び配置に設定される。投写レンズに入射する不要光を効率良くカットして、高い輝度性能を得る。

Description

本発明は、ライトバルブ上に形成された光学像をスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関する。

大画面映像を得るための方法として、ライトバルブ上に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射し、投写レンズを用いてスクリーン上に拡大投写するプロジェクターなどの投写型表示装置が知られている。

このような投写型表示装置においては、ライトバルブとして反射型ライトバルブを用いることで、高い解像度と高い画素開口率とを両立させることができ、光利用効率の高い高輝度の投写画像を表示することが可能となる。

図４に、上述したような反射型ライトバルブを用いた従来の投写型表示装置における光学系の構成図を示す。このような構成は、例えば、特許文献１に開示されている。

図４において、光源としてのランプ１から放射される光は、凹面鏡２、ロッドプリズム３、及びコンデンサレンズ４から構成される照明光学系により、全反射プリズム６ａを介して反射型ライトバルブ９上に集光される。ロッドプリズム３は、断面が四角柱状であり、反射型ライトバルブ９の有効表示面と略同じアスペクト比を有する。凹面鏡２とロッドプリズム３の間には、カラーホイール５が配置されている。反射型ライトバルブ９により反射された光は、色分離合成光学系であるダイクロイックプリズム６ｂを経て、投写レンズ１０によりスクリーン（図示せず）上に投写される。

凹面鏡２は、反射面の断面形状が楕円形をなしており、第１焦点と第２焦点を有している。そして、ランプ１の発光体の中心が凹面鏡２の第１焦点付近に位置し、ロッドプリズム３の光入射面が第２焦点付近に位置するように配置されている。凹面鏡２は、ガラス製機材の内面に、赤外光を透過させ、可視光を反射させる性質を有する光学多層膜を形成した部材により構成される。

ランプ１から放射された光は、凹面鏡２によって反射及び集光され、凹面鏡２の第２焦点においてランプ１の発光体像を形成する。ランプ１の発光体像は、光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺ほど急激に暗くなる傾向にあるため、そのままでは輝度が不均一である。

この問題に対し、第２焦点付近にロッドプリズム３の入射面を配置し、ロッドプリズム３の側面で入射光を多重反射させて輝度の均一化を図っている。こうすることで、ロッドプリズム３の出射面を２次面光源とし、以降に配置されているコンデンサレンズ４によって、反射型ライトバルブ９上に結像させることにより、照明光の均一性を確保する。

カラーホイール５は、３原色のうち、１色のみを透過する３種類のカラーフィルタを組み合わせて構成したものである。凹面鏡２の第２焦点付近に配置されたカラーホイール５によって、ランプ１から出力される白色光は、赤・緑・青の３原色に時分割される。すなわち、カラーホイール５を回転させることによって、赤・緑・青の３原色の光が順次、反射型ライトバルブ９上に時分割で照射される。それにより、１つの表示素子（反射型ライトバルブ９）を用いて、フルカラーの投写画像を表示できる。

照明光学系の瞳の位置には、後に説明する不要光を取り除くために、絞り１１が設置されている。この絞り１１は、照明光学系の光軸に対し、開口の重心が偏心して配置されている。その理由は、必要光の遮光を抑えて明るさの低下を最小限に抑えながら、コントラスト性能を向上させるためである。

次に、反射型ライトバルブ９の構成および動作について、図５Ａ〜図５Ｃを参照して説明する。一般に反射型ライトバルブ９は、映像信号に応じて光の進行方向を制御し、反射角の変化として光学像が形成されるものである。図５Ａ〜図５Ｃは、従来の投写型表示装置における反射型ライトバルブの構成及び動作を説明するための断面図である。

この反射型ライトバルブ９は、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）と称するもので、画素ごとにミラー素子１２がマトリックス状に形成されている。各ミラー素子１２はそれぞれ、投写レンズ１０（図４参照）の光軸と垂直な基準平面１３に対する傾斜角が、白表示のためのＯＮ信号及び黒表示のためのＯＦＦ信号に応じて制御される。そして、照明主光線１５は、カバーガラス１４を透過した後、ミラー素子１２に入射し反射されて、再びカバーガラス１４を透過して出射する。

ＯＮ信号時には図５Ａに示すように、ミラー素子１２は基準平面１３に対して＋θ゜の角度を持つように制御される。照明主光線１５の入射角は、その際、ＯＮ光主光線１６が基準平面１３と垂直な方向、すなわち投写レンズ１０の光軸に沿った方向に反射されるように設定される。従って、照明主光線１５とＯＮ光主光線１６とのなす角度は２θとなる。

ＯＦＦ信号時には図５Ｂに示すように、ミラー素子１２は基準平面１３に対して−θ゜の角度を持つように制御される。このとき、照明主光線１５とＯＦＦ光主光線１７とのなす角度は６θとなる。それによりＯＦＦ光主光線１７は、投写レンズ１０に入射しない方向に反射し進行する。

また、図５Ｃに示すように、照明光がカバーガラス１４の表面により反射されたフラット光１８が発生する。ＯＮ、ＯＦＦ信号時に関わらず、照明主光線１５とフラット光１８の主光線とのなす角度は４θとなる。フラット光１８は、ＯＮ、ＯＦＦいずれの信号時においても、その一部が投写レンズ１０に入射する。そのため、特に黒表示であるＯＦＦ信号時において、フラット光１８がコントラスト性能を大きく劣化させてしまうという問題点があった。

次に、図６の照明光学系の入反射説明図を参照して、フラット光１８がコントラスト劣化の原因となる理由について説明する。図６において、反射型ライトバルブ９に入射する光線のうちで照明光の光軸との傾きが最大になる光線の角度を、照射角θａとする。すなわち、照明光は、照明主光線１５を中心とする照射角θａの範囲から反射型ライトバルブ９に入射する。１９は照明光学系の瞳、２０は投写レンズ１０の瞳を示す。２１は、投写レンズ１０の瞳２０に対応する位置におけるフラット光１８のスポットを示す。

反射型ライトバルブ９により、照明主光線１５との間で角度２θをなす方向に反射されたＯＮ光主光線１６は、投写レンズ１０に瞳２０を経て入射しスクリーンに映し出される。一方、フラット光１８は、照明主光線１５との間に角度４θをなす方向に反射型ライトバルブ９から反射される。

ここで、照射角θａがθ以上となった場合、フラット光１８の一部は、不要光２２として投写レンズ１０に入射する。投写レンズ１０の瞳２０にフラット光１８のスポット２１が重なる範囲が、不要光２２に対応する。不要光２２は、特にＯＦＦ信号時においてコントラスト性能を大きく劣化させてしまう。

一般的に反射型ライトバルブを備えた投写型映像装置では、高い光の利用効率を得るために、照明光学系の照明Ｆ値を小さくするため、照明角θａはθより大きい値となる。

そこで、不要光２２をカットするために、図４に示したように絞り１１を照明光学系の瞳の位置に配置する。図６に示すように、照明光学系の瞳１９における絞り１１の遮光領域２３の配置は、反射型ライトバルブ９によりフラット光１８として反射されたスポット２１中で、不要光２２の領域に対応するように設定される。

絞り１１の遮光領域２３の形状は、不要光２２の領域の形状に対応している。不要光２２の領域は、投写レンズ１０の瞳２０にフラット光１８のスポット２１が重なる範囲、すなわち、２つの円の交わる領域である。従って、遮光領域２３は図７に示すように、照明光学系の瞳１９の外周と同じ曲率を有する２つの円弧で囲まれた両凸レンズ形を有する。以下の記載では、この形状を単に「レンズ形」と称する。

瞳１９における遮光領域２３の配置は、構造的には以下のとおりである。すなわち、遮光領域２３は、レンズ形の一方の円弧を瞳１９の領域の外周に沿わせて配置される。レンズ形の対称軸は、照明主光線１５とＯＮ光主光線１６を含む面と瞳１９の面の交線の方向に向けられる。そして、瞳１９の直径の両端のうち、反射型ライトバルブ９に入射する直前の位置で、ＯＮ光主光線１６に近くなる側に配置される。

この遮光領域２３により、投写レンズ１０の瞳２０に対する不要光２２の入射を排除することができる。すなわち、照明主光線１５を中心とする照射角θａの照明光のうち、不要光２２となる範囲の照明光の反射型ライトバルブ９への入射が、絞り１１の遮光領域２３により阻止されるからである。
特開２００４−９４２６２号公報

瞳における輝度分布は、光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺ほど急激に暗くなるという特性を持っている。従って、上記レンズ形の形状を持つ絞り１１の遮光領域２３は、図７の遮光状態説明図に示すように、光軸近傍の高い輝度分布の光束を遮光してしまうことになる。そのため、大きな輝度損失が発生していた。

本発明は、上記問題点を解決するために、絞り形状を最適化して、投写レンズに入射するフラット光の不要光を効率良くカットしながら、高い輝度性能を持つ投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の投写型表示装置は、光源と、入射光に対する出射光の進行方向の関係を入力信号に応じて制御する反射型ライトバルブと、前記光源からの光を照明光として前記反射型ライトバルブに集光する照明光学系と、前記反射型ライトバルブからの出射光を投写する投写レンズと、前記照明光学系の瞳の位置に配置され前記光源からの光の一部を遮光する第１絞りとを備える。前記第１絞りは、前記照明光のうち前記反射型ライトバルブの表面により反射された光が前記投写レンズの瞳に不要光として入射する範囲に対応する前記照明光学系の瞳の領域の一部に対する遮光領域を有する。

上記課題を解決するために、本発明の投写型表示装置は、前記投写レンズの瞳の位置に配置され前記反射型ライトバルブからの出射光の一部を遮光する第２絞りを更に備え、前記第１絞りの遮光領域は、前記照明光学系の瞳の前記不要光の範囲に対応する領域を弦方向の線で分割して得られる２つの分割領域のうち、外周側の前記分割領域に対応し、前記第２絞りの遮光領域は、中心側の前記分割領域に対応する形状を有するとともに、当該中心側の分割領域に対応する位置に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、不要光の遮光特性は確保しながら、照明光の第１絞りによる光損失を減らすことができ、コントラストの低下を抑制して、プロジェクターなどの投写型表示装置における高輝度化を図ることが可能である。

本発明の実施の形態における投写型表示装置の光学系の構成図 同投写型表示装置の照明光学系における光の入反射状態を示す図 従来例の投写型表示装置の絞りによる照明光学系及び投写レンズの瞳における遮光状態を示す図 本発明の実施の形態の投写型表示装置の絞りによる照明光学系及び投写レンズの瞳における遮光状態の一例を示す図 同投写型表示装置の絞りによる照明光学系及び投写レンズの瞳における遮光状態の他の例を示す図 従来例の投写型投影装置における光学系の構成図 同投写型表示装置における反射型ライトバルブの構成及び動作を示す図 同投写型表示装置における反射型ライトバルブの他の動作を示す図 同投写型表示装置における反射型ライトバルブの更に他の動作を示す図 同投写型投影装置の照明光学系における光の入反射状態を示す図 同投写型投影装置における絞りによる遮光状態を示す図

符号の説明

１ ランプ
２ 凹面鏡
３ ロッドプリズム
４ コンデンサレンズ
５ カラーホイール
６ａ 全反射プリズム
６ｂ ダイクロイックプリズム
７ 第１絞り
８ 第２絞り
９ 反射型ライトバルブ
１０ 投写レンズ
１１ 絞り
１２ ミラー素子
１３ 基準平面
１４ カバーガラス
１５ 照明主光線
１６ ＯＮ光主光線
１７ ＯＦＦ光主光線
１８ フラット光
１９ 照明光学系の瞳
２０ 投写レンズの瞳
２１ フラット光のスポット
２２ 不要光
２３ 遮光領域
２４、２４ａ、２４ｂ 遮光領域
２５、２５ａ、２５ｂ 遮光領域

本発明の投写型表示装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記反射型ライトバルブは、映像信号に応じて光の反射方向を制御する複数のミラー素子がマトリックス状に配列されたものであることが好ましい。

また、前記第１絞りの遮光領域は、２つの円弧によって囲まれた凸レンズ形がその両頂点を結ぶ線に平行な直線で分割された分割領域の一方の形状を有し、前記第２絞りの遮光領域は、他方の前記分割領域の形状を有することが好ましい。

また、前記第１絞りと前記第２絞りの入射側表面には、入射する光が少なくとも８０％以上反射される金属又は誘電体多層膜による反射鏡が形成されていることが好ましい。

また、前記照明光学系はロッドプリズムを有し、周辺照度が、中心照度に対して９０％以上となるようにロッドプリズムの長さが設定されていることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態にかかる投写型表示装置の光学系の構成図である。図１において、光源としてのランプ１、凹面鏡２、ロッドプリズム３、コンデンサレンズ４、カラーホイール５、ダイクロイックプリズム６、反射型ライトバルブ９、及び投写レンズ１０の構成は、図４に示した従来例と同様である。

本実施の形態においては、図４に示した従来例の絞り１１に代えて、照明光学系の瞳の位置に設置された第１絞り７と、投写レンズ１０の瞳の位置に設置された第２絞り８の組み合わせにより、フラット光を遮光する機能を持たせる。第１絞り７と第２絞り８の構成については、後述する。

反射型ライトバルブ９は、図５に示した従来例のように、画素ごとにマトリックス状に形成されたミラー素子１２を備え、映像信号に応じて光の進行方向を制御することによって、反射角の変化に応じて光学像を形成する。

また、凹面鏡２は、反射面の断面形状が楕円形をなす楕円面鏡で構成されており、第１焦点と第２焦点を有している。ランプ１としては高圧水銀ランプが用いられ、発光体の中心が凹面鏡２における第１焦点付近に位置するように配置されている。ロッドプリズム３は、その光入射面が凹面鏡２における第２焦点付近に位置するように配置されている。

ロッドプリズム３は、光の入射面及び出射面が、反射型ライトバルブ９の有効表示面と同じアスペクト比を有する四角柱形状を有している。ロッドプリズム３は、ランプ１からの放射光が集光される場所に配置されるため、材質は耐熱性に優れる石英ガラスが好ましい。

ロッドプリズム３の入射面付近に、凹面鏡２によって集光されたランプ１の発光体像が形成される。凹面鏡２によって集光されたランプ１の発光体像は、光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺に向かうにつれて急激に暗くなる傾向にある。そのため、そのままでは面内の輝度は不均一である。これに対し、ロッドプリズム３に入射した光線束は、ロッドプリズム３の側面で多重反射され、反射回数分だけ発光体像が細分割及び重畳されて照明されるので、ロッドプリズム３の出射面においては輝度が均一化される。

このように、ランプ発光体像の細分割及び重畳効果によって、ロッドプリズム３内で反射される回数が多いほど均一性が向上するので、均一性の度合いはロッドプリズム３の長さに依存する。本実施の形態においては、スクリーン上の周辺照度が中心照度に対して９０％以上となるように、ロッドプリズム３の長さが設定される。

このように、輝度が均一化されたロッドプリズム３の出射面を２次面光源とし、以降に配置されているコンデンサレンズ４によって、反射型ライトバルブ９の有効表示面積とマッチングする倍率で結像させる。それにより、集光効率の確保と均一性の向上を両立させることが可能となる。

また、ランプ１から出力される白色光は、凹面鏡２の第２焦点付近に配置されたカラーホイール５を回転させることによって、赤・緑・青の３原色として順次透過し、反射型ライトバルブ９上に時分割で照射される。それにより、１つの反射型ライトバルブ９でフルカラーの投写画像を表示できる。

また、図５Ａ〜図５Ｃの従来例と同様、ランプ１から放射される光は、照明光学系によって集光され、反射型ライトバルブ９に入射する。図５Ａに示したように、反射型ライトバルブ９に入射した照明主光線１５のうち、白表示のために反射されたＯＮ光主光線１６は、投写レンズ１０に入射してスクリーン上（図示せず）に拡大投写される。一方、図５Ｂに示したように、黒表示に相当するＯＦＦ光主光線１７は、投写レンズ１０の有効径の外側へと進行して、スクリーンには到達しない。

次に、図２の照明光学系の入反射説明図を参照して、照明光学系の瞳１９の位置に配置されている第１絞り７、及び投写レンズ１０の瞳２０の位置に配置されている第２絞り８の形状と、不要光２２の遮光の関係について説明する。図２において、照明主光線１５の反射型ライトバルブ９に対する入反射の関係は従来例の図６と同じであるため、同一の要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。

第１絞り７の遮光領域２４は、従来例の図６に示した絞り１１と配置は同様であるが、形状が異なる。すなわち遮光領域２４は、従来のレンズ形の遮光領域の形状を瞳１９の外形の弦方向の線、すなわちレンズ形の両頂点を結ぶ線に平行な線で分割した外周側の分割領域の形状を有する。従って、従来例の絞り１１から中心側の分割領域が削除された形状である。

一方、第２絞り８の遮光領域２５は、従来のレンズ形の遮光領域から、第１絞り７の遮光領域２４が切り取られた残りに対応する形状を有する。その配置は、投写レンズ１０の瞳２０における不要光２２に対応する領域の外周側に設定される。第１絞り７の遮光領域２４は、フラット光１８における不要光２２の領域の外周側に対応するので、瞳２０においては中心側となる。従って、第１絞り７の遮光領域２４と第２絞り８の遮光領域２５を組み合わせた遮光領域は、従来の絞り１１と同様、不要光２２の領域全体に対応する。

但し、第１絞り７の遮光領域２４、及び第２絞り８の遮光領域２５は、必ずしも不要光２２の領域を完全に覆う必要はない。不要光２２の領域に対して遮光領域が若干欠けたとしても、実質的に十分な効果を得ることが可能である。

このように、第１絞り７と第２絞り８の組み合わせた遮光領域による不要光２２に対する遮光量は、従来の照明光学系に配置された絞り２１の遮光領域による遮光量と同等である。しかし、照明光学系の瞳１９と投写レンズ１０の瞳２０のそれぞれにおいて、光束の周辺から分割して絞ることにより、輝度の高い光束中心の光を遮光することなくＯＮ光に含ませて、しかもフラット光１８の不要光２２を遮光できる。その結果、コントラスト性能は同等で、輝度損失が少なくなるため、従来よりも輝度を向上させることができる。

以上のように、第１絞り７の遮光領域２４と第２絞り８の遮光領域２５は、各々の対称軸が照明主光線１５とＯＮ光主光線１６を含む面と一致するように配置される。第２絞り８の遮光領域２５は、瞳２０の直径の両端のうち、フラット光１８に近い側への配置となる。

次に、第１絞り７と第２絞り８の構成について、図３Ａ〜図３Ｃの遮光状態説明図を参照して説明する。図３Ａは、照明光学系の瞳の位置にだけ絞りが配置されたときの遮光状態を示すものであり、従来例の図７で説明したものと同じものである。当然、投写レンズの瞳の位置には絞りは配置されていない。図３Ｂ、図３Ｃは、本実施の形態の遮光状態を示している。

図３Ａ（ａ）は、照明光学系の瞳１９に対する従来例の絞り１１による遮光領域２３を示す。図３Ｂ、図３Ｃの（ａ）は、本実施の形態の第１絞り７による照明光学系の瞳１９に対する遮光領域２４ａ、２４ｂを示す。図３Ａ（ｂ）は、投写レンズ１０の瞳２０を示すが、この場合、瞳２０に対する遮光領域はない。図３Ｂ、図３Ｃの（ｂ）は、投写レンズ１０の瞳２０に対する第２絞り８による遮光領域２５ａ、２５ｂを示す。

第１絞り７の遮光領域は、レンズ形をその両頂点を結ぶ直線に平行な直線で分割して得られる分割領域のうちの一方の形状を有する。すなわち、図３Ｂ（ａ）に示すような円の弦と弧により囲まれた弓形の遮光領域２４ａか、または、図３Ｃ（ａ）に示すようなレンズ形の一部が弓形に切り取られた形状の遮光領域２４ｂが用いられる。削除されるのは瞳１９の中心側であり、外周側の分割領域が用いられる。

第２絞り８は、レンズ形から第１絞り７が切り取られた残りに対応する形状の遮光領域２５ａ、２５ｂを有する。すなわち、図３Ａに示す従来の遮光領域２３を、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、第１絞り７と第２絞り８で分割し、遮光領域２４ａ、２５ａ、あるいは遮光領域２４ｂ、２５ｂが組み合わせて使用される。

図３Ｃの遮光領域２４ｂ、２５ｂは、図３Ｂの遮光領域２４ａ、２５ａに比べて、光束の遮光率について第２絞り８の重みを小さくした態様である。いずれの場合も、第１絞り７の遮光面積と第２絞り８の遮光面積の和は、従来の照明光学系に配置される絞り１１の遮光面積と同じになることが望ましい。

このように遮光領域を分割すれば、輝度の高い光束中心付近の光は遮光せず、周辺を遮光するため、輝度損失が少なくなり、従来と比べ、輝度が向上する。

なお、一般的に投写レンズに絞りが配置された場合、絞りが光を吸収し、レンズ鏡等の熱伸縮を発生させ、フォーカス性能を引き起こす恐れがある。その場合は、投写レンズ性能に問題が発生しない程度に投写レンズの絞り量を決定すればよい。

また、照明光学系の絞りと投写レンズの絞りの表面には、入射する光が８０％以上反射される金属又は誘電体多層膜による反射膜が形成されることが望ましい。

本発明の投写型表示装置は、不要光を遮光する絞りによる光損失を低減させて、コントラストの低下を抑制できるので、プロジェクターなどの投写型表示装置に有用である。

本発明は、ライトバルブ上に形成された光学像をスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関する。

大画面映像を得るための方法として、ライトバルブ上に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射し、投写レンズを用いてスクリーン上に拡大投写するプロジェクターなどの投写型表示装置が知られている。

このような投写型表示装置においては、ライトバルブとして反射型ライトバルブを用いることで、高い解像度と高い画素開口率とを両立させることができ、光利用効率の高い高輝度の投写画像を表示することが可能となる。

図４に、上述したような反射型ライトバルブを用いた従来の投写型表示装置における光学系の構成図を示す。このような構成は、例えば、特許文献１に開示されている。

図４において、光源としてのランプ１から放射される光は、凹面鏡２、ロッドプリズム３、及びコンデンサレンズ４から構成される照明光学系により、全反射プリズム６ａを介して反射型ライトバルブ９上に集光される。ロッドプリズム３は、断面が四角柱状であり、反射型ライトバルブ９の有効表示面と略同じアスペクト比を有する。凹面鏡２とロッドプリズム３の間には、カラーホイール５が配置されている。反射型ライトバルブ９により反射された光は、色分離合成光学系であるダイクロイックプリズム６ｂを経て、投写レンズ１０によりスクリーン（図示せず）上に投写される。

凹面鏡２は、反射面の断面形状が楕円形をなしており、第１焦点と第２焦点を有している。そして、ランプ１の発光体の中心が凹面鏡２の第１焦点付近に位置し、ロッドプリズム３の光入射面が第２焦点付近に位置するように配置されている。凹面鏡２は、ガラス製機材の内面に、赤外光を透過させ、可視光を反射させる性質を有する光学多層膜を形成した部材により構成される。

ランプ１から放射された光は、凹面鏡２によって反射及び集光され、凹面鏡２の第２焦点においてランプ１の発光体像を形成する。ランプ１の発光体像は、光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺ほど急激に暗くなる傾向にあるため、そのままでは輝度が不均一である。

この問題に対し、第２焦点付近にロッドプリズム３の入射面を配置し、ロッドプリズム３の側面で入射光を多重反射させて輝度の均一化を図っている。こうすることで、ロッドプリズム３の出射面を２次面光源とし、以降に配置されているコンデンサレンズ４によって、反射型ライトバルブ９上に結像させることにより、照明光の均一性を確保する。

カラーホイール５は、３原色のうち、１色のみを透過する３種類のカラーフィルタを組み合わせて構成したものである。凹面鏡２の第２焦点付近に配置されたカラーホイール５によって、ランプ１から出力される白色光は、赤・緑・青の３原色に時分割される。すなわち、カラーホイール５を回転させることによって、赤・緑・青の３原色の光が順次、反射型ライトバルブ９上に時分割で照射される。それにより、１つの表示素子（反射型ライトバルブ９）を用いて、フルカラーの投写画像を表示できる。

照明光学系の瞳の位置には、後に説明する不要光を取り除くために、絞り１１が設置されている。この絞り１１は、照明光学系の光軸に対し、開口の重心が偏心して配置されている。その理由は、必要光の遮光を抑えて明るさの低下を最小限に抑えながら、コントラスト性能を向上させるためである。

次に、反射型ライトバルブ９の構成および動作について、図５Ａ〜図５Ｃを参照して説明する。一般に反射型ライトバルブ９は、映像信号に応じて光の進行方向を制御し、反射角の変化として光学像が形成されるものである。図５Ａ〜図５Ｃは、従来の投写型表示装置における反射型ライトバルブの構成及び動作を説明するための断面図である。

この反射型ライトバルブ９は、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）と称するもので、画素ごとにミラー素子１２がマトリックス状に形成されている。各ミラー素子１２はそれぞれ、投写レンズ１０（図４参照）の光軸と垂直な基準平面１３に対する傾斜角が、白表示のためのＯＮ信号及び黒表示のためのＯＦＦ信号に応じて制御される。そして、照明主光線１５は、カバーガラス１４を透過した後、ミラー素子１２に入射し反射されて、再びカバーガラス１４を透過して出射する。

ＯＮ信号時には図５Ａに示すように、ミラー素子１２は基準平面１３に対して＋θ゜の角度を持つように制御される。照明主光線１５の入射角は、その際、ＯＮ光主光線１６が基準平面１３と垂直な方向、すなわち投写レンズ１０の光軸に沿った方向に反射されるように設定される。従って、照明主光線１５とＯＮ光主光線１６とのなす角度は２θとなる。

ＯＦＦ信号時には図５Ｂに示すように、ミラー素子１２は基準平面１３に対して−θ゜の角度を持つように制御される。このとき、照明主光線１５とＯＦＦ光主光線１７とのなす角度は６θとなる。それによりＯＦＦ光主光線１７は、投写レンズ１０に入射しない方向に反射し進行する。

また、図５Ｃに示すように、照明光がカバーガラス１４の表面により反射されたフラット光１８が発生する。ＯＮ、ＯＦＦ信号時に関わらず、照明主光線１５とフラット光１８の主光線とのなす角度は４θとなる。フラット光１８は、ＯＮ、ＯＦＦいずれの信号時においても、その一部が投写レンズ１０に入射する。そのため、特に黒表示であるＯＦＦ信号時において、フラット光１８がコントラスト性能を大きく劣化させてしまうという問題点があった。

次に、図６の照明光学系の入反射説明図を参照して、フラット光１８がコントラスト劣化の原因となる理由について説明する。図６において、反射型ライトバルブ９に入射する光線のうちで照明光の光軸との傾きが最大になる光線の角度を、照射角θａとする。すなわち、照明光は、照明主光線１５を中心とする照射角θａの範囲から反射型ライトバルブ９に入射する。１９は照明光学系の瞳、２０は投写レンズ１０の瞳を示す。２１は、投写レンズ１０の瞳２０に対応する位置におけるフラット光１８のスポットを示す。

反射型ライトバルブ９により、照明主光線１５との間で角度２θをなす方向に反射されたＯＮ光主光線１６は、投写レンズ１０に瞳２０を経て入射しスクリーンに映し出される。一方、フラット光１８は、照明主光線１５との間に角度４θをなす方向に反射型ライトバルブ９から反射される。

ここで、照射角θａがθ以上となった場合、フラット光１８の一部は、不要光２２として投写レンズ１０に入射する。投写レンズ１０の瞳２０にフラット光１８のスポット２１が重なる範囲が、不要光２２に対応する。不要光２２は、特にＯＦＦ信号時においてコントラスト性能を大きく劣化させてしまう。

一般的に反射型ライトバルブを備えた投写型映像装置では、高い光の利用効率を得るために、照明光学系の照明Ｆ値を小さくするため、照明角θａはθより大きい値となる。

そこで、不要光２２をカットするために、図４に示したように絞り１１を照明光学系の瞳の位置に配置する。図６に示すように、照明光学系の瞳１９における絞り１１の遮光領域２３の配置は、反射型ライトバルブ９によりフラット光１８として反射されたスポット２１中で、不要光２２の領域に対応するように設定される。

絞り１１の遮光領域２３の形状は、不要光２２の領域の形状に対応している。不要光２２の領域は、投写レンズ１０の瞳２０にフラット光１８のスポット２１が重なる範囲、すなわち、２つの円の交わる領域である。従って、遮光領域２３は図７に示すように、照明光学系の瞳１９の外周と同じ曲率を有する２つの円弧で囲まれた両凸レンズ形を有する。以下の記載では、この形状を単に「レンズ形」と称する。

瞳１９における遮光領域２３の配置は、構造的には以下のとおりである。すなわち、遮光領域２３は、レンズ形の一方の円弧を瞳１９の領域の外周に沿わせて配置される。レンズ形の対称軸は、照明主光線１５とＯＮ光主光線１６を含む面と瞳１９の面の交線の方向に向けられる。そして、瞳１９の直径の両端のうち、反射型ライトバルブ９に入射する直前の位置で、ＯＮ光主光線１６に近くなる側に配置される。

この遮光領域２３により、投写レンズ１０の瞳２０に対する不要光２２の入射を排除することができる。すなわち、照明主光線１５を中心とする照射角θａの照明光のうち、不要光２２となる範囲の照明光の反射型ライトバルブ９への入射が、絞り１１の遮光領域２３により阻止されるからである。
特開２００４−９４２６２号公報

瞳における輝度分布は、光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺ほど急激に暗くなるという特性を持っている。従って、上記レンズ形の形状を持つ絞り１１の遮光領域２３は、図７の遮光状態説明図に示すように、光軸近傍の高い輝度分布の光束を遮光してしまうことになる。そのため、大きな輝度損失が発生していた。

本発明は、上記問題点を解決するために、絞り形状を最適化して、投写レンズに入射するフラット光の不要光を効率良くカットしながら、高い輝度性能を持つ投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の投写型表示装置は、光源と、入射光に対する出射光の進行方向の関係を入力信号に応じて制御する反射型ライトバルブと、前記光源からの光を照明光として前記反射型ライトバルブに集光する照明光学系と、前記反射型ライトバルブからの出射光を投写する投写レンズと、前記照明光学系の瞳の位置に配置され前記光源からの光の一部を遮光する第１絞りとを備える。前記第１絞りは、前記照明光のうち前記反射型ライトバルブの表面により反射された光が前記投写レンズの瞳に不要光として入射する範囲に対応する前記照明光学系の瞳の領域の一部に対する遮光領域を有する。

上記課題を解決するために、本発明の投写型表示装置は、前記投写レンズの瞳の位置に配置され前記反射型ライトバルブからの出射光の一部を遮光する第２絞りを更に備え、前記第１絞りの遮光領域は、前記照明光学系の瞳の前記不要光の範囲に対応する領域を弦方向の線で分割して得られる２つの分割領域のうち、外周側の前記分割領域に対応し、前記第２絞りの遮光領域は、中心側の前記分割領域に対応する形状を有するとともに、当該中心側の分割領域に対応する位置に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、不要光の遮光特性は確保しながら、照明光の第１絞りによる光損失を減らすことができ、コントラストの低下を抑制して、プロジェクターなどの投写型表示装置における高輝度化を図ることが可能である。

本発明の投写型表示装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記反射型ライトバルブは、映像信号に応じて光の反射方向を制御する複数のミラー素子がマトリックス状に配列されたものであることが好ましい。

また、前記第１絞りの遮光領域は、２つの円弧によって囲まれた凸レンズ形がその両頂点を結ぶ線に平行な直線で分割された分割領域の一方の形状を有し、前記第２絞りの遮光領域は、他方の前記分割領域の形状を有することが好ましい。

また、前記第１絞りと前記第２絞りの入射側表面には、入射する光が少なくとも８０％以上反射される金属又は誘電体多層膜による反射鏡が形成されていることが好ましい。

また、前記照明光学系はロッドプリズムを有し、周辺照度が、中心照度に対して９０％以上となるようにロッドプリズムの長さが設定されていることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態にかかる投写型表示装置の光学系の構成図である。図１において、光源としてのランプ１、凹面鏡２、ロッドプリズム３、コンデンサレンズ４、カラーホイール５、ダイクロイックプリズム６、反射型ライトバルブ９、及び投写レンズ１０の構成は、図４に示した従来例と同様である。

本実施の形態においては、図４に示した従来例の絞り１１に代えて、照明光学系の瞳の位置に設置された第１絞り７と、投写レンズ１０の瞳の位置に設置された第２絞り８の組み合わせにより、フラット光を遮光する機能を持たせる。第１絞り７と第２絞り８の構成については、後述する。

反射型ライトバルブ９は、図５に示した従来例のように、画素ごとにマトリックス状に形成されたミラー素子１２を備え、映像信号に応じて光の進行方向を制御することによって、反射角の変化に応じて光学像を形成する。

また、凹面鏡２は、反射面の断面形状が楕円形をなす楕円面鏡で構成されており、第１焦点と第２焦点を有している。ランプ１としては高圧水銀ランプが用いられ、発光体の中心が凹面鏡２における第１焦点付近に位置するように配置されている。ロッドプリズム３は、その光入射面が凹面鏡２における第２焦点付近に位置するように配置されている。

ロッドプリズム３は、光の入射面及び出射面が、反射型ライトバルブ９の有効表示面と同じアスペクト比を有する四角柱形状を有している。ロッドプリズム３は、ランプ１からの放射光が集光される場所に配置されるため、材質は耐熱性に優れる石英ガラスが好ましい。

ロッドプリズム３の入射面付近に、凹面鏡２によって集光されたランプ１の発光体像が形成される。凹面鏡２によって集光されたランプ１の発光体像は、光軸に近い中心付近が最も明るく、周辺に向かうにつれて急激に暗くなる傾向にある。そのため、そのままでは面内の輝度は不均一である。これに対し、ロッドプリズム３に入射した光線束は、ロッドプリズム３の側面で多重反射され、反射回数分だけ発光体像が細分割及び重畳されて照明されるので、ロッドプリズム３の出射面においては輝度が均一化される。

このように、ランプ発光体像の細分割及び重畳効果によって、ロッドプリズム３内で反射される回数が多いほど均一性が向上するので、均一性の度合いはロッドプリズム３の長さに依存する。本実施の形態においては、スクリーン上の周辺照度が中心照度に対して９０％以上となるように、ロッドプリズム３の長さが設定される。

このように、輝度が均一化されたロッドプリズム３の出射面を２次面光源とし、以降に配置されているコンデンサレンズ４によって、反射型ライトバルブ９の有効表示面積とマッチングする倍率で結像させる。それにより、集光効率の確保と均一性の向上を両立させることが可能となる。

また、ランプ１から出力される白色光は、凹面鏡２の第２焦点付近に配置されたカラーホイール５を回転させることによって、赤・緑・青の３原色として順次透過し、反射型ライトバルブ９上に時分割で照射される。それにより、１つの反射型ライトバルブ９でフルカラーの投写画像を表示できる。

また、図５Ａ〜図５Ｃの従来例と同様、ランプ１から放射される光は、照明光学系によって集光され、反射型ライトバルブ９に入射する。図５Ａに示したように、反射型ライトバルブ９に入射した照明主光線１５のうち、白表示のために反射されたＯＮ光主光線１６は、投写レンズ１０に入射してスクリーン上（図示せず）に拡大投写される。一方、図５Ｂに示したように、黒表示に相当するＯＦＦ光主光線１７は、投写レンズ１０の有効径の外側へと進行して、スクリーンには到達しない。

次に、図２の照明光学系の入反射説明図を参照して、照明光学系の瞳１９の位置に配置されている第１絞り７、及び投写レンズ１０の瞳２０の位置に配置されている第２絞り８の形状と、不要光２２の遮光の関係について説明する。図２において、照明主光線１５の反射型ライトバルブ９に対する入反射の関係は従来例の図６と同じであるため、同一の要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。

第１絞り７の遮光領域２４は、従来例の図６に示した絞り１１と配置は同様であるが、形状が異なる。すなわち遮光領域２４は、従来のレンズ形の遮光領域の形状を瞳１９の外形の弦方向の線、すなわちレンズ形の両頂点を結ぶ線に平行な線で分割した外周側の分割領域の形状を有する。従って、従来例の絞り１１から中心側の分割領域が削除された形状である。

一方、第２絞り８の遮光領域２５は、従来のレンズ形の遮光領域から、第１絞り７の遮光領域２４が切り取られた残りに対応する形状を有する。その配置は、投写レンズ１０の瞳２０における不要光２２に対応する領域の外周側に設定される。第１絞り７の遮光領域２４は、フラット光１８における不要光２２の領域の外周側に対応するので、瞳２０においては中心側となる。従って、第１絞り７の遮光領域２４と第２絞り８の遮光領域２５を組み合わせた遮光領域は、従来の絞り１１と同様、不要光２２の領域全体に対応する。

但し、第１絞り７の遮光領域２４、及び第２絞り８の遮光領域２５は、必ずしも不要光２２の領域を完全に覆う必要はない。不要光２２の領域に対して遮光領域が若干欠けたとしても、実質的に十分な効果を得ることが可能である。

このように、第１絞り７と第２絞り８の組み合わせた遮光領域による不要光２２に対する遮光量は、従来の照明光学系に配置された絞り２１の遮光領域による遮光量と同等である。しかし、照明光学系の瞳１９と投写レンズ１０の瞳２０のそれぞれにおいて、光束の周辺から分割して絞ることにより、輝度の高い光束中心の光を遮光することなくＯＮ光に含ませて、しかもフラット光１８の不要光２２を遮光できる。その結果、コントラスト性能は同等で、輝度損失が少なくなるため、従来よりも輝度を向上させることができる。

以上のように、第１絞り７の遮光領域２４と第２絞り８の遮光領域２５は、各々の対称軸が照明主光線１５とＯＮ光主光線１６を含む面と一致するように配置される。第２絞り８の遮光領域２５は、瞳２０の直径の両端のうち、フラット光１８に近い側への配置となる。

次に、第１絞り７と第２絞り８の構成について、図３Ａ〜図３Ｃの遮光状態説明図を参照して説明する。図３Ａは、照明光学系の瞳の位置にだけ絞りが配置されたときの遮光状態を示すものであり、従来例の図７で説明したものと同じものである。当然、投写レンズの瞳の位置には絞りは配置されていない。図３Ｂ、図３Ｃは、本実施の形態の遮光状態を示している。

図３Ａ（ａ）は、照明光学系の瞳１９に対する従来例の絞り１１による遮光領域２３を示す。図３Ｂ、図３Ｃの（ａ）は、本実施の形態の第１絞り７による照明光学系の瞳１９に対する遮光領域２４ａ、２４ｂを示す。図３Ａ（ｂ）は、投写レンズ１０の瞳２０を示すが、この場合、瞳２０に対する遮光領域はない。図３Ｂ、図３Ｃの（ｂ）は、投写レンズ１０の瞳２０に対する第２絞り８による遮光領域２５ａ、２５ｂを示す。

第１絞り７の遮光領域は、レンズ形をその両頂点を結ぶ直線に平行な直線で分割して得られる分割領域のうちの一方の形状を有する。すなわち、図３Ｂ（ａ）に示すような円の弦と弧により囲まれた弓形の遮光領域２４ａか、または、図３Ｃ（ａ）に示すようなレンズ形の一部が弓形に切り取られた形状の遮光領域２４ｂが用いられる。削除されるのは瞳１９の中心側であり、外周側の分割領域が用いられる。

第２絞り８は、レンズ形から第１絞り７が切り取られた残りに対応する形状の遮光領域２５ａ、２５ｂを有する。すなわち、図３Ａに示す従来の遮光領域２３を、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、第１絞り７と第２絞り８で分割し、遮光領域２４ａ、２５ａ、あるいは遮光領域２４ｂ、２５ｂが組み合わせて使用される。

図３Ｃの遮光領域２４ｂ、２５ｂは、図３Ｂの遮光領域２４ａ、２５ａに比べて、光束の遮光率について第２絞り８の重みを小さくした態様である。いずれの場合も、第１絞り７の遮光面積と第２絞り８の遮光面積の和は、従来の照明光学系に配置される絞り１１の遮光面積と同じになることが望ましい。

このように遮光領域を分割すれば、輝度の高い光束中心付近の光は遮光せず、周辺を遮光するため、輝度損失が少なくなり、従来と比べ、輝度が向上する。

なお、一般的に投写レンズに絞りが配置された場合、絞りが光を吸収し、レンズ鏡等の熱伸縮を発生させ、フォーカス性能を引き起こす恐れがある。その場合は、投写レンズ性能に問題が発生しない程度に投写レンズの絞り量を決定すればよい。

また、照明光学系の絞りと投写レンズの絞りの表面には、入射する光が８０％以上反射される金属又は誘電体多層膜による反射膜が形成されることが望ましい。

本発明の投写型表示装置は、不要光を遮光する絞りによる光損失を低減させて、コントラストの低下を抑制できるので、プロジェクターなどの投写型表示装置に有用である。

本発明の実施の形態における投写型表示装置の光学系の構成図 同投写型表示装置の照明光学系における光の入反射状態を示す図 従来例の投写型表示装置の絞りによる照明光学系及び投写レンズの瞳における遮光状態を示す図 本発明の実施の形態の投写型表示装置の絞りによる照明光学系及び投写レンズの瞳における遮光状態の一例を示す図 同投写型表示装置の絞りによる照明光学系及び投写レンズの瞳における遮光状態の他の例を示す図 従来例の投写型投影装置における光学系の構成図 同投写型表示装置における反射型ライトバルブの構成及び動作を示す図 同投写型表示装置における反射型ライトバルブの他の動作を示す図 同投写型表示装置における反射型ライトバルブの更に他の動作を示す図 同投写型投影装置の照明光学系における光の入反射状態を示す図 同投写型投影装置における絞りによる遮光状態を示す図

符号の説明

１ ランプ
２ 凹面鏡
３ ロッドプリズム
４ コンデンサレンズ
５ カラーホイール
６ａ 全反射プリズム
６ｂ ダイクロイックプリズム
７ 第１絞り
８ 第２絞り
９ 反射型ライトバルブ
１０ 投写レンズ
１１ 絞り
１２ ミラー素子
１３ 基準平面
１４ カバーガラス
１５ 照明主光線
１６ ＯＮ光主光線
１７ ＯＦＦ光主光線
１８ フラット光
１９ 照明光学系の瞳
２０ 投写レンズの瞳
２１ フラット光のスポット
２２ 不要光
２３ 遮光領域
２４、２４ａ、２４ｂ 遮光領域
２５、２５ａ、２５ｂ 遮光領域

Claims (5)

1. 光源と、
   入射光に対する出射光の進行方向の関係を入力信号に応じて制御する反射型ライトバルブと、
   前記光源からの光を照明光として前記反射型ライトバルブに集光する照明光学系と、
   前記反射型ライトバルブからの出射光を投写する投写レンズと、
   前記照明光学系の瞳の位置に配置され前記光源からの光の一部を遮光する第１絞りとを備え、
   前記第１絞りは、前記照明光のうち前記反射型ライトバルブの表面により反射された光が前記投写レンズの瞳に不要光として入射する範囲に対応する前記照明光学系の瞳の領域の一部に対する遮光領域を有する投写型表示装置において、
   前記投写レンズの瞳の位置に配置され前記反射型ライトバルブからの出射光の一部を遮光する第２絞りを更に備え、
   前記第１絞りの遮光領域は、前記照明光学系の瞳の前記不要光の範囲に対応する領域を弦方向の線で分割して得られる２つの分割領域のうち、外周側の前記分割領域に対応し、
   前記第２絞りの遮光領域は、中心側の前記分割領域に対応する形状を有するとともに、当該中心側の分割領域に対応する位置に配置されていることを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記反射型ライトバルブは、映像信号に応じて光の反射方向を制御する複数のミラー素子がマトリックス状に配列されたものである請求項１記載の投写型表示装置。
3. 前記第１絞りの遮光領域は、２つの円弧によって囲まれた凸レンズ形がその両頂点を結ぶ線に平行な直線で分割された分割領域の一方の形状を有し、前記第２絞りの遮光領域は、他方の前記分割領域の形状を有する請求項１記載の投写型表示装置。
4. 前記第１絞りと前記第２絞りの入射側表面には、入射する光が少なくとも８０％以上反射される金属又は誘電体多層膜による反射鏡が形成されている請求項１記載の投写型表示装置。
5. 前記照明光学系はロッドプリズムを有し、周辺照度が、中心照度に対して９０％以上となるようにロッドプリズムの長さが設定されている請求項１記載の投写型表示装置。

Images