JP2007294346A - 照明装置、照明方法及び投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ライトバルブにおける照度分布の均一化を維持しながら照明光量変化を実現する照明装置を簡素な構成にて提供する。
【解決手段】反射鏡１２と、反射鏡１２に出射する光源１１と、光源１１から出射された光線が光軸に対し対称に出射し当該光線が集光される近傍に配置される遮光板２と、を備え、遮光板２を、光源１１から光軸の上側に出射された光線と下側に出射された光線が集光される焦点近傍で交差する交差領域に配置し、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高コントラストと照明光の均一性を実現する可変絞りの技術に係わり、映像表現力の優れた照明装置およびこれを用いた投射型表示装置に関するものである。

プロジェクタ等の投射型表示装置には、小型、薄型、軽量といった形状、デザインに関わる特徴のみならず、本来の目的である映像を表示する装置として色の再現性や高輝度、高コントラストといった映像表現力が求められている。加えて、近年の情報映像機器の発達はめざましく、マルチメディア時代の到来により、あらゆる場面で画像表示装置が用いられている。なかでも画面の対角長が４０インチを超える大型の投射型表示装置が広く利用されており、前述の映像表現力に加えて、価格競争力が重要な位置づけを占めるようになってきた。投射型表示装置は、直視型ＣＲＴ（陰極線管）方式画像表示装置と比較すると、映画やスポーツの試合等を大迫力かつ高い臨場感で鑑賞することができるといった利点がある。投射型画像表示装置は、スクリーンに光を投射する方式によってフロント投射方式とリア投射方式とに大別されるが、いずれも大画面化が容易なため、プレゼンテーション用途等にフロントプロジェクタが、家庭シアター用途等にリアプロジェクタが普及してきている。いずれの投射方式も投射光を発生する光学エンジン部分の構成は類似しており、一例としては、光源からの光を照明装置を通してライトバルブに照射するとともに、ライトバルブにより画像パターンを形成し、この画像パターンの形成された光線を投射光学系によりスクリーンに投射するものがある。

これらプロジェクタのライトバルブとして、従来はＣＲＴが利用されてきたが、近年においては、高輝度、高精細化の要求と共に、これら要求性能を鑑みた場合のライトバルブとして、液晶パネルや、多数のマイクロミラーを実装配列して、マイクロミラーの角度を変えることにより光変調を行うＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス、例えば特開平１０―７８５５０号公報参照）の利用が主流となっている。

ところで投射型画像表示装置は、高画質表示において、現状では直視型ＣＲＴ画像表示装置の画質に達していない部分もあり、コントラストである。直視型ＣＲＴ画像表示装置は、画面全体を白黒表示する場合等で少なくとも１００００：１以上のコントラストを実現している。一方、投射型画像表示装置としてのコントラストは主にライトバルブの特性で決定され、液晶パネルの場合、約５００：１程度であり、ＤＭＤの場合約１５００：１程度である。このコントラストの低さは、黒表示において、透過型液晶パネルの場合には漏れ光が、反射型液晶パネルやＤＭＤの場合には反射光がスクリーン上に投射されて本来の暗い状態が浮いてしまうことに一因がある。大迫力かつ高い臨場感で投写表示を行うためには、画像のハイライト部分は一層明るく、逆に暗い部分は一層暗く、各フレーム毎に明るさが任意に変化する映像入力に対して明暗の応答性が高く、また画面各部の明るさバラツキが少なく表示されることが望ましい。

画像を明るく表示する方法としては、明るい光源を使用する等の方法があるが、一方、光学エンジンの投写する光の白黒の強度比であるコントラストは、ライトバルブの消光特性や光学要素やこれらを保持する機構要素での反射光により発生する迷光等が要因で無限にはできず、例えば前述のように液晶パネルの場合、約５００：１程度であり、ＤＭＤの場合約１５００：１程度になっているので、画像のハイライト領域を十分に明るく表示するために例えば上記にように光源を明るくすると、暗い画像もそれにつれて明るくなってしまい、結果的に明るい光源を使用しただけでは画像のコントラストを向上させることはできなかった。

つまり、投射型画像表示装置には、明るさや色のムラが少ない映像を保ちながら、さらなる高コントラストを映像信号に対応して高い応答性で簡便に実現できる技術が必要とされている。

一般に、投射型画像表示装置には、均一な明るさで画像表示する方法として、光インテグレータを使用することにより、光源からの光を均一な明るさの面光源に変換する方法がある。例えば、入射端面および出射端面を有するロッドインテグレータの入射端面に集光された光源からの光は、ロッドインテグレータ内部側面で全反射を繰り返しながら進行することにより出射端面を重畳照明するので、出力端面においては明るさ均一性が高くなる。この面光源をリレーレンズによりライトバルブに結像させることより、明るさムラの無い均一な照明を行うことができる技術が例えば特許文献１に開示されている。

また、均一な明るさで画像表示するための光インテグレータを使用することによる別の方法として、光源からの入射光束を複数のレンズで構成された第１のフライアイレンズによって複数の光束に分割し、これら分割された複数の光束を第２のフライアイレンズによってライトバルブを重畳照明するインテグレータ光学系が、例えば特許文献２に開示されている。

次に、暗い画像を一層暗く表示する方法としては、映像シーンに適応した調光手段を設けることが考えられる。例えば光源からライトバルブに入射させる光量を、映像信号に応じて変化させることが考えられる。それを実現するのに最も簡便な方法は、光源の光出力強度を変化させることである。投射型表示装置において、ランプの出力光の制御を行なう方法が特許文献３に開示されている。

投射型表示装置に用いるランプとしては高圧水銀ランプが現在主流となっているが、超高圧水銀ランプで光出力強度を制御することは困難な状況であるという課題を有しており、したがって、ランプの光出力強度自体を変化させることなく、映像信号に応じた光変調手段への入射光量の調整をできる方法が求められている。そこで、暗い画像を一層暗く表示する別の方法として、光源からの光の進路に絞りを設けることが用いられている。光源から射出された光をフライアイレンズによって複数の光束に分割し、これらの光束の一部又は全部を遮光板の平面部によって遮光することで照明光量を調節する。この際、調光状態において部分的に遮光された光束が複数存在し、これらの部分的に遮光された全ての光束の中心部が遮光板によって同時に遮光されないようにする技術が例えば特許文献４に開示されている。

上述の特許文献４に示された照明装置には、光源と、上記光源から射出された光を複数の光束に分割し、これらの光束を被照明領域において重畳する一対のフライアイレンズと、各光束の一部又は全部を遮光することで上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、光源の前面にフライアイレンズと矩形の遮光板が備えられている。フライアイレンズはそれぞれ矩形のマイクロレンズが配列された構造を有し、光源から射出された光は第１のフライアイレンズの各マイクロレンズによって複数の光束に分割され、これらの光束がそれぞれ対応する第２のフライアイレンズのマイクロレンズにより被照明領域（ライトバルブ）において重畳されることで、照明光の照度分布が均一化される。

調光手段の具体的な形態としては、例えば上記調光手段が、上記光束群全体の中心線（光軸）を挟む位置に配置された一対の２枚の遮光板からなり、各遮光板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、これらの遮光板の回動量に応じて各光束の一部又は全部を遮光可能とされたものを用いることができる。これらの遮光板は、光源側から順に配置された第１ のフライアイレンズと第２ のフライアイレンズとの間、又は、第２ のフライアイレンズの射出側に配置することができる。

各遮光板は、初期状態（ 調光を行なわない状態）において照明光の光路外に配置され、その主面は光軸に平行に保たれている。一方、調光を行なう場合には、遮光板はそれぞれ回動軸の回りに等しい角度で回動され、照明光の一部を遮光する。このような照明装置では、映像の明るさを連続的に変化させるために照明光量は遮光板の回動量θ に対して滑らかに変化することが望ましく、光量を連続的に変化させるために、レンズ列Ａ１とレンズ列Ａ２の中心線が別々のタイミングで遮光される。或いは、レンズ列Ａ１又はレンズ列Ａ２を構成する各マイクロレンズの中心部Ｃ が別々のタイミングで遮光されるようにすることで照明光量の変化を最小限に抑えることができる。すなわち、調光状態において部分的に遮光された光束が複数存在し、上記調光手段はこれらの部分的に遮光された全ての光束の中心部を同時には遮光しないことを特徴としている。部分的に遮光された複数の光束の中心部は、それぞれ別々のタイミングで遮光される、或いは、幾つかずつ別々のタイミングで遮光される。このため、これらの中心部Ｃが全て同時に遮光されるものに比べて、光量変化が小さくなり、照明光量を滑らかに変化させることができることと、複数の光束がそれぞれ異なった明るさ分布を成し、それらがライトバルブ上に重畳されることで、ばらつきが軽減された均一な明るさを得ることができる。
特開平７−９８４７９号公報 特開平３−１１１８０６号公報 特開平５−６６５０１号公報 特開２００５−１０３５４号公報（１５頁、図２）

しかしながら、特許文献４に示す従来の構成では次のような課題がある。光源から出射されて反射鏡で反射されたのちに第１のフライアイレンズに入射する光線は図９のような強度分布を持っている。図９は従来の照明装置における第１のフライアイレンズへの入射光束の強度分布を示す正面図である。光軸（中心部）に近いほど強度は強くなっている。したがって、図９の第１象限のすべてのマイクロレンズでは、左下ほど入射光束の強度が強い。第２象限のすべてのマイクロレンズでは、右下ほど強い。同様に、第３象限では、右上、第４象限では左上ほど強い。光線が遮光板によって調光されていない状態では、すべてのマイクロレンズが有効であるから、ライトバルブを重畳して照明するさいには、それぞれ光軸に対して対称な位置にあるマイクロレンズが強度分布を互いに打ち消しあって、均一な強度分布の状態が得られる。

次に、調光状態での強度分布について言及すると、所定量の光束を遮光するだけであれば１枚の遮光板でも機能的にこれを満たすことは可能であるが、調光状態においても均一な強度分布を保つために、光軸に対して略対称に光線を遮光する必要があり、そのためには光軸に対して略対称な位置に一対の２枚の遮光板を必要とする。

次に、これら２枚の遮光板は、互いに異なった方向に回動することによって、その回動量に応じて光束を遮光している。このため、遮光板と一体になった駆動系を遮光板の数と同じく２個用いる必要がある。或いは、単一の駆動系で２枚の遮光板を異なった回転方向に駆動させようとすると、少なくとも一方の遮光板は駆動系との間に伝達要素を介して回動方向を反転させる必要がある。一般的には歯車が用いられるが、プロジェクタとしての使用用途から動作音の低減が求められる。したがって、グリースなどの潤滑剤の定期的補充が困難な点から金属製の歯車の使用を避ける事と、遮光板に当たる光による発熱が生じる為、品質保持のために耐磨耗特性と耐熱性の点から材料選択肢が限られてくる。例えばＬＣＰなどの比較的高価な樹脂材料が用いられる。また、こういった伝達要素を介するため、駆動制御特性の点からも高速応答を実現するための望ましい構成を成し難い。望ましい構成とは、駆動系と遮光板が一体的かつ剛体的に接合されており、機構的な動作周波数範囲において駆動制御特性に悪影響を与える振動変位、位相変化が無いものである。

次に、別の課題として、前述のように光学エンジンの投写する光の白黒の強度比であるコントラストは、ライトバルブの消光特性や光学要素やこれらを保持する機構要素での反射光により発生する迷光等が要因で無限にはできず、液晶パネルの場合、約５００：１程度であり、ＤＭＤの場合約１５００：１程度になっている。これに対して、表示装置に求められるコントラストは１００００：１を超える場合もある。このようなハイコントラストを投射型画像表示装置において、遮光板を用いた調光によって実現するためには、光量を６分の１から２０分の１程度まで遮光し、開口領域を小さくする必要が生じてくる。

このように開口領域を小さくした場合には、フライアイレンズを用いたインテグレータ光学系における分割された光束のうち大部分が遮光されて、ライトバルブを照明する有効光束が幾つかの限られた分割光束となる。このような場合には、インテグレータ光学系の基本原理である、様々な照度分布を持った複数の光束を重畳してライトバルブを均一に照明する事ができなくなり、照明ムラが発生する。また、ライトバルブを照明する領域は、第１のフライアイレンズと共役な関係にあるため、開口領域の縦方向と横方向の大きさにライトバルブのアスペクト比と比較して大きな差異がある場合には、第１のフライアイレンズの各マイクロレンズの任意像高毎に開口領域を見込むＦナンバーに大きな差異が生じて、照明ムラが発生する。

ここで、前述の背景技術において述べたように、投射型画像表示装置には、明るさや色のムラが少ない映像を保ちながら、さらなる高コントラストを高い応答性で簡便に実現できる技術が必要とされている。すなわち従来の構成では、構成の簡便さ、高速応答性、照明ムラという課題を有していた。

従来の課題を解決するために、本発明の照明装置は、反射鏡と、前記反射鏡に出射する光源と、前記光源から出射された光線が光軸に対し対称に出射し当該光線が集光される近傍に配置される遮光板と、を備え、前記遮光板を、前記光源から光軸の上側に出射された光線と下側に出射された光線が集光され焦点近傍で交差する交差領域に配置し、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴としたものである。

また、本発明の照明装置は、光線を反射する楕円鏡と、前記楕円鏡の第１焦点に設けた光源と、前記楕円鏡の第２焦点近傍に配置される色付け手段と、前記光源から射出された光線を前記楕円鏡で第２焦点近傍に集光した光線を照明光学系を通して照射されるライトバルブと、前記楕円鏡に第２焦点近傍に集光する光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する遮光板とを備え、前記遮光板を、前記光源から光軸の上側に出射された光線と下側に出射された光線が前記楕円鏡の第２焦点近傍で交差する交差領域に配置し、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴としたものである。

また、本発明の照明装置は、放物面鏡の焦点に設けた光源と、前記光源から射出された光束を前記放物面鏡で平行光束にした後、凸レンズで集光する光源系と、前記凸レンズの焦点近傍に配置される色付け手段と前記光源系からの光束を光束を照明光学系を通して照射するライトバルブと、前記光源系からの射出光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する遮光板とを備え、前記遮光板を、前記光源から光軸の上側に出射された光線と下側に出射された光線が前記凸レンズ焦点近傍で交差する交差領域に配置し、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴としたものである。

また、本発明の照明方法は、光源から出射される光線を、遮光板を移動して光量を遮光する絞り機能を有する照明方法において、前記遮光板を、光源からの光線が光軸に対し上側と下側に対称に出射され当該光線が集光される焦点近傍で交差する交差領域に配置し、前記遮光板を、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴としたものである。

本発明の照明装置によれば、可変絞りを設置する領域は、光源から１８０°対称な方位角度に射出された光束が光軸上で交差する範囲とすることにより、単一の遮光板を用いながら、光軸に対して１８０°対称な位置を通過して照明光学系に入射する光束を遮光することが可能であり、照明領域であるライトバルブにおける照度分布の均一化を維持しながら照明光量変化を実現する照明装置を簡素な構成にて提供することが出来る。また、遮光板を設けた第２焦点近傍では光束径すなわち開口領域が小さく、遮光板の小さな動作で大きな光量変化を与えることが出来る為、高速の照明光量変化が可能な照明装置を提供することが出来る。

また、本発明の照明装置によれば、可変絞りを設置する領域は、光源から１８０°対称な方位角度に射出された光束が光軸上で交差する範囲とすることにより、単一の遮光板を用いて、光軸に対して１８０°対称な位置を通過して照明光学系に入射する光束を遮光することが可能であり、照明領域であるライトバルブにおける照度分布の均一化を維持しながら照明光量変化を実現する照明装置を簡素な構成にて提供することが出来る。また、遮光板を設けた凸レンズの焦点近傍では光束径すなわち開口領域が小さく、遮光板の小さな動作で大きな光量変化を与えることが出来る為、高速の照明光量変化が可能な照明装置を提供することが出来る。

さらに、遮光板が駆動部と一体的に構成されていることにより高精度、高速の照明光量変化の実現が可能な照明装置を提供することが出来る。

さらに、遮光板は、光軸上の照度が高い領域を遮光しない構成をなす為、遮光板位置決め誤差に対する照明光量誤差が小さくなり、所望の照明光量の調整が容易に実現できる照明装置を提供することが出来る。

また、本発明の照明装置によれば、照明領域であるライトバルブにおける照明光の照度分布の均一化を簡素な構成にて提供することが出来ると共に、高精度、高速応答の位置決めが可能な遮光板を設けたことにより、高精度、高速の照明光量変化の実現が可能な投射型表示装置を提供することが出来る。

以下に、本発明の照明装置を備えた投射型表示装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

本発明の実施例１に記載の投射型表示装置は、光源に超高圧水銀灯を用い、光源の反射面に楕円面鏡を用い、色付け手段としてカラーホイールを用い、インテグレータ光学系にフライアイレンズを用い、ライトバルブにはＤＭＤを用いた場合の構成例である。

図１は本発明の実施例１における照明装置を用いた投射型画像表示装置の概略構成を示す側面図である。図１を用いてその概略構成を簡単に説明する。

図１において、光線を反射する反射鏡である楕円面鏡１２の第１焦点位置に光源１１が配置されている。光源１１から射出された光束は、楕円面鏡１２によって反射されて第２焦点位置近傍に集光される。集光された光束はカラーホイール１３と呼ばれる赤、緑、青に分割された回転式のカラーフィルタを通過することによってそれぞれの色に時分割される。第２焦点近傍を通過した光束は収束光から発散光へとなる。カラーホイール１３の後方に設置された可変絞りの開口を通過し、所定の光束径になったところで凸レンズ１４を用いて平行光になされたのち、第１フライアイレンズ１５に入射する。ここでの光束径は照明光学系の射出瞳径にほぼ等しい大きさになっている。第１フライアイレンズ１５に入射した光束は、図９にて示したように、光軸から離れて周辺に行くほど光束量が減少して暗くなっている。

第１フライアイレンズ１５上にはＤＭＤ１８の有効領域とほぼ相似形状の開口領域を持つレンズセル１５ａ、１５ｂ、・・・が複数個配列されており（図示せず）、入射光束を複数に分割している。レンズセル１５ａ、１５ｂ、・・・はそれぞれのセルに対応した第２フライアイレンズ１６のレンズセル１６ａ、１６ｂ、・・・（図示せず）に光束を集光するようなされており、レンズセル１６ａ、１６ｂ、・・・上には光源１１の像が形成されている。つまり、楕円面鏡１２、凸レンズ１４、第１フライアイレンズ１５の光学要素の作用によって、光源１１と第２フライアイレンズ１６とが共役関係にある。

また、第２フライアイレンズ１６を通過した光束は凸レンズ１７によってＤＭＤ１８上に集光され、ＤＭＤ１８上にレンズセル１５ａ、１５ｂ、・・・の開口領域の像を結像させる。つまり、第２フライアイレンズ１６と凸レンズ１７の光学要素の作用によって第１フライアイレンズ１５とＤＭＤ１８とが共役関係にある。凸レンズ１７の作用は、各レンズセル１６ａ、１６ｂ、・・・の中心をＤＭＤ１８中心に一致させて、第１フライアイレンズ１５のレンズセル１５ａ、１５ｂ、・・・像が、ＤＭＤ１８上に重ね合わせられる働きをする。ここで、凸レンズ１７の代替手段として、レンズセル１６ａ、１６ｂ、・・・のそれぞれの局率中心座標を偏芯させることも可能であり、この場合は、凸レンズ１７を省略することが可能であるが、いずれの場合でも本発明の構成、作用、効果が変わるものではない。

ＤＭＤ１８は、独立して所定の角度回転動作を行う複数のマイクロミラー(図示せず)が実装されている。マイクロミラーはスクリーン２０でのピクセル(図示せず)に対応している。マイクロミラーは、照明装置からの入射光がマイクロミラーに反射して投射レンズ１９に入射しスクリーン２０に到達するＯＮ状態と、照明装置からの入射光を投射レンズ１９に入射させないＯＦＦ状態との２つの状態を持つ。投射型表示装置に入力される画像情報に応じて、各ピクセルに対応するマイクロミラーの状態をＯＮとＯＦＦに切り替えて、色、明るさのイメージを形成する。

光源１１はアーク長が１．０〜１．５ｍｍ程度の超高圧水銀灯を用いており、交流点灯方式によって、両電極付近の輝度分布はほぼ同じとなっている。図２は一般的な超高圧水銀灯の配光分布の例を示す図である。光源１１からは、所定の配光分布特性にしたがって光束を射出しているが、超高圧水銀灯は電極の大きさに対してアーク長が短いため、配光はアーク軸に垂直な方向を最大とし比較的狭い角度範囲に限定され、大部分の発光を楕円面鏡１２によってカバーすることができる。

図２で示すような特性の光源１１を用いた場合の光源１１から第１フライアイレンズ１５までの光線追跡の例を図３に示す。図３は一般的な超高圧水銀灯と楕円面鏡を用いた照明装置の光線追跡の例を示す図である。図３（ａ）は全光束が通過した場合、図３（ｂ）は遮光板２によって光束が一部遮光されている場合を示す。楕円面鏡１２の第１焦点１２ａから出射された光線は楕円面鏡１２に反射された後、第２焦点１２ｂを通過する。しかしながら、光源１１は理想的な点ではないため、第１焦点１２ａ以外の位置から出射された光線は楕円面鏡１２に反射された後、第２焦点１２ｂからずれた位置で光軸１０と交差する。第１焦点１２ａより＋Ｘ方向から出射された光線は第２焦点１２ｂよりも−Ｘ方向側で光軸１０と交差し、第１焦点１２ａより−Ｘ方向から出射された光線は第２焦点１２ｂよりも＋Ｘ方向側で光軸１０と交差する。図３を見てもわかるように、光源１１から出射された光線のうちＹ方向成分が＋Ｙ方向である光線と、−Ｙ方向である光線が第２焦点１２ｂ近傍で交差する交差領域Ｌ１が存在する。ここまでは、一般的な投射型表示装置と同様の構成である。

本発明の最も特徴とするところは、この交差領域Ｌ１において、可変絞り１が光線を遮光するように遮光板２を設けたことである。

望ましい遮光板２の設置位置は第２焦点１２ｂである。一方で、カラーホイール１３の望ましい設置位置も第２焦点１２ｂであるが、ここでは以下の理由により、カラーホイール１３を第２焦点１２ｂよりも前に、遮光板２を後ろに設置している。

投射型表示装置の出しうる最大明るさに関連するカラーホイール１３の設置位置についての要求項目として、光束径がより小さい位置が望ましいことが挙げられる。第１の要因として、明るさの指標にＤＭＤ１８のマイクロミラーがＯＮ状態の時間があり、ＯＮ状態を長く保持する程明るいイメージが形成される。一方で、第２の要因として、混色防止が挙げられる。カラーホイール１３に設けられた赤、緑、青のカラーフィルタのうち、同時に２色のカラーフィルタをまたいで光束が通過した場合、同一タイミングでその２色が混ざり合った光束がＤＭＤ１８を照明することになる。このような現象が、意図せずして起こった場合、色イメージの形成を妨げることになるので、少なくとも単一色を表示する場合は、光束径が単一色のカラーフィルタ領域に在る時間のみＤＭＤ１８をＯＮ状態にし、光束径が２色をまたいで在る時間はＤＭＤ１８をＯＦＦ状態にする必要が生じる。したがって、光束径が小さい程、ＤＭＤ１８をＯＮ状態にできる時間が長くなる。

以上のことから、カラーホイール１３の設置位置は、光束径がより小さい位置が望ましいといえる。図３を見てもわかるように、第２焦点１２ｂ近傍において光束径が最小となっている部分は領域Ｌ２の範囲に及んでいる。よって、カラーホイール１３は幾何学的に正確な第２焦点１２ｂ位置に設けなくとも、領域Ｌ２の範囲内に設けることでカラーホイール１３の設置位置については望ましい形態をとることが出来ている。同時に、遮光板２についても、カラーホイール１３と遮光板２の隙間を工業的に実現可能な１ｍｍ程度以上確保した上で、遮光板２を第２焦点付近に可能な限り近い位置に設置して、望ましい形態をとることが出来ている。以上がカラーホイール１３を第２焦点１２ｂよりも前に、遮光板２を後ろに設置している理由である。尚、カラーホイール１３を第２焦点１２ｂよりも後に、遮光板２を前に設置した場合でも、同様にカラーホイール１３を光束径が小さい領域に設置することが可能であり、望ましい形態をとることが出来る。

次に、本実施例１における最大の特徴である、交差領域Ｌ１において遮光板２が光線を遮光する場合の作用および効果について図４を参照して説明する。図４は本発明の実施例１における照明装置の光線追跡の例を示す図である。図４（ａ）は光源１１から＋Ｙ方向に出射された光線を示し、図４（ｂ）は光源１１から−Ｙ方向に出射された光線を示す。

図４（ａ）を見てもわかるように、光源１１から＋Ｙ方向に出射された光線は楕円面鏡１２で反射されて第２焦点１２ｂ近傍で光軸１０と交差した後に−Ｙ領域で凸レンズ１４の作用によって平行光となり、第１フライアイレンズ１５に入射する。一方、光源１１から−Ｙ方向に出射された光線は楕円面鏡１２で反射されて第２焦点１２ｂ近傍で光軸１０と交差した後＋Ｙ領域で凸レンズ１４の作用によって平行光となり、第１フライアイレンズ１５に入射する。つまり、光源１１から出射した光線は出射方向のＹ方向成分の正負と逆の領域において、第１フライアイレンズ１５に入射する。したがって、前述の交差領域Ｌ１内において光線を遮光すると１枚の遮光板２を用いて、光源１１から＋Ｙ方向に出射された光線と、−Ｙ方向に出射された光線を遮光することができる。すなわち、第１フライアイレンズ１５に入射する＋Ｙ領域の光線と−Ｙ領域の光線の両方を遮光することが可能となる。したがって、１枚の遮光板２を用いた調光状態においても、第１のフライアイレンズ１５に入射する光線の強度分布を、Ｘ軸に対してほぼ対称に保つことが可能であり、ＤＭＤ１８に重畳される照明の均一性を保つことが可能である。

即ち、光源１１の楕円面鏡１２の開口高さの低い＋Ｙ方向から出る光線と開口高さの高い−Ｙ方向からでる光線の両方を１枚の遮光板２を用いて遮光することができる。また、光源１１の楕円面鏡１２の開口高さの低い−Ｙ方向から出る光線と開口高さの高い＋Ｙ方向からでる光線の両方を１枚の遮光板２を用いて遮光することができる。

なお、本発明の実施例１において、ライトバルブにＤＭＤ１８を例示したが、これに限定するものではなく例えば液晶パネルでも良く、その場合には一般的な液晶パネルを用いた投射型表示装置の構成にもとづいて、好適な光学要素の構成を取ることが可能である。

本発明の実施例２に記載の投射型表示装置は、光源に超高圧水銀灯を用い、光源の反射面に放物面鏡を用い、色付け手段としてカラーホイールを用い、インテグレータ光学系にフライアイレンズを用い、ライトバルブにはＤＭＤを用いた場合の構成例である。

図５は本発明の実施例２における照明装置を用いた投射型画像表示装置の概略構成を示す側面図である。図５を用いてその概略構成を簡単に説明する。

図５において、２２は放物面鏡であり、その焦点位置に光源１１が配置されている。光源１１から射出された光束は、放物面鏡２２によって反射されて平行光束となり、凸レンズ２３によって集光される。集光された光束はカラーホイール１３と呼ばれる赤、緑、青に分割された回転式のカラーフィルタを通過することによってそれぞれの色に時分割される。焦点近傍を通過した光束は収束光から発散光へとなる。カラーホイール１３の後方に設置された可変絞り１の開口を通過し、所定の光束径になったところで凸レンズ１４を用いて平行光になされたのち、第１フライアイレンズ１５に入射する。ここでの光束径は照明光学系の射出瞳径にほぼ等しい大きさになっている。第１フライアイレンズ１５に入射した光束は、図９に示すように、光軸から離れて周辺に行くほど光束量が減少して暗くなっている。

第１フライアイレンズ１５からスクリーン２０までの構成は、本発明の実施例１と同様であり、光線の振る舞い同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

本発明の実施例２の特徴とするところを以下に説明する。

光源１１は本発明の実施例１に示したものと同様に、アーク長が１．０〜１．５ｍｍ程度の超高圧水銀灯を用いている。光源１１からは、所定の配光分布特性にしたがって光束を射出しているが、超高圧水銀灯は電極の大きさに対してアーク長が短いため、配光は図２に示すように、アーク軸に垂直な方向を最大とし比較的狭い角度範囲に限定され、大部分の発光を放物面鏡２２によってカバーすることができる。

図２で示すような特性の光源１１を用いた場合の光源１１から第１フライアイレンズ１５までの光線追跡の例を図６に示す。図６は一般的な超高圧水銀灯と放物面鏡を用いた照明装置の光線追跡の例を示す図である。放物面鏡２２の焦点２２ａから出射された光線は放物面鏡２２に反射された後、平行光束となり凸レンズ２３で集光される。しかしながら、光源１１は理想的な点ではないため、焦点２２ａ以外の位置から出射された光線は放物面鏡２２に反射されて、凸レンズ２３で集光されたさいに、焦点２３ａからずれた位置で光軸１０と交差する。焦点２２ａより＋Ｘ方向から出射された光線は凸レンズ焦点２３ａよりも−Ｘ方向側で光軸１０と交差し、焦点２２ａより−Ｘ方向から出射された光線は凸レンズ焦点２３ａよりも＋Ｘ方向側で光軸１０と交差する。図６を見てもわかるように、光源１０から出射された光線のうちＹ方向成分が＋Ｙ方向である光線と、−Ｙ方向である光線が凸レンズ焦点２３ａ近傍で交差する交差領域Ｌ１が存在する。ここまでは、一般的な投射型表示装置と同様の構成である。

本発明の最も特徴とするところは、この交差領域Ｌ１において、可変絞り１が光線を遮光するように遮光板２を設けたことである。

望ましい遮光板２の設置位置は凸レンズ焦点２３ａである。一方で、カラーホイール１３の望ましい設置位置も凸レンズ焦点２２ａであるが、ここでも本発明の実施例１と同様、以下の理由により、カラーホイール１３を凸レンズ焦点２３ａよりも前に、遮光板２を後ろに設置している。

投射型表示装置の出しうる最大明るさに関連するカラーホイール１３の設置位置についての要求項目として、光束径がより小さい位置が望ましいことが挙げられる。第１の要因として、明るさの指標にＤＭＤ１８のマイクロミラーがＯＮ状態の時間があり、ＯＮ状態を長く保持する程明るいイメージが形成される。一方で、第２の要因として、混色防止が挙げられる。カラーホイール１３に設けられた赤、緑、青のカラーフィルタのうち、同時に２色のカラーフィルタをまたいで光束が通過した場合、同一タイミングでその２色が混ざり合った光束がＤＭＤ１８を照明することになる。このような現象が、意図せずして起こった場合、色イメージの形成を妨げることになるので、少なくとも単一色を表示する場合は、光束径が単一色のカラーフィルタ領域に在る時間のみＤＭＤ１８をＯＮ状態にし、光束径が２色をまたいで在る時間はＤＭＤ１８をＯＦＦ状態にする必要が生じる。したがって、光束径が小さい程、ＤＭＤ１８をＯＮ状態にできる時間が長くなる。以上のことから、カラーホイール１３の設置位置は、光束径がより小さい位置が望ましいといえる。

図６を見てもわかるように、凸レンズ焦点２３ａ近傍において光束径が最小となっている部分は領域Ｌ２の範囲に及んでいる。よって、カラーホイール１３は幾何学的に正確な凸レンズ焦点２３ａの位置に設けなくとも、領域Ｌ２の範囲内に設けることでカラーホイール１３の設置位置については望ましい形態をとることが出来ている。同時に、カラーホイール１３と遮光板２の隙間を工業的に実現可能な１ｍｍ程度以上確保した上で、遮光板２を第２焦点付近に可能な限り近い位置に設置している。以上がカラーホイール１３を凸レンズ焦点２３ａよりも前に、遮光板２を後ろに設置している理由である。

次に、本実施例２における最大の特徴である、交差領域Ｌ１において遮光板２が光線を遮光する場合の作用および効果について図７を参照して説明する。図７は本発明の実施例２における照明装置の光線追跡の例を示す図である。図７（ａ）は光源１１から＋Ｙ方向に出射された光線を示し、図７（ｂ）は光源１１から−Ｙ方向に出射された光線を示す。

図７（ａ）を見てもわかるように、光源１１から＋Ｙ方向に出射された光線は放物面鏡２２で反射されて平行光束となった後凸レンズ２３で集光され、凸レンズ焦点２３ａ近傍で光軸１０と交差した後に−Ｙ領域で凸レンズ１４の作用によって平行光となり、第１フライアイレンズ１５に入射する。一方、光源１１から−Ｙ方向に出射された光線は楕円面鏡１２で反射されて平行光束となった後凸レンズ２３で集光され、凸レンズ焦点２３ａ近傍で光軸１０と交差した後に＋Ｙ領域で凸レンズ１４の作用によって平行光となり、第１フライアイレンズ１５に入射する。つまり、光源１１から出射した光線は出射方向のＹ方向成分の正負と逆の領域において、第１フライアイレンズ１５に入射する。したがって、前述の交差領域Ｌ１内において光線を遮光すると１枚の遮光板２を用いて、光源１１から＋Ｙ方向に出射された光線と、−Ｙ方向に出射された光線を遮光することができる。すなわち、第１フライアイレンズ１５に入射する＋Ｙ領域の光線と−Ｙ領域の光線の両方を遮光することが可能となる。

したがって、１枚の遮光板２を用いた調光状態においても、第１のフライアイレンズ１５に入射する光線の強度分布を、Ｘ軸に対してほぼ対象に保つことが可能であり、ＤＭＤ１８に重畳される照明の均一性を保つことが可能である。なお、本発明の実施例１において、ライトバルブにＤＭＤ１８を例示したが、これに限定するものではなく例えば液晶パネルでも良く、その場合には一般的な液晶パネルを用いた投射型表示装置の構成にもとづいて、好適な光学要素の構成を取ることが可能である。

次に、実施例１及び実施例２で可変絞りとして使用する遮光板２について図８を用いて説明する。

図８は、遮光板の構成を示す平面図である。図８は例として遮光量が最大量の動作状態を示しており、図８中のハッチング領域は遮光板２の位置において光束が通過する領域である。

図８において、可変絞りとして使用する遮光板２は、駆動部にボイスコイルモータ３（以下ＶＣＭと省略する）を設け、遮光板２を、光軸と垂直方向の面内に、回動中心７周りに回動可能に構成されている。ＶＣＭ３の固定部分であり磁気回路を形成するマグネット５、ヨーク６と、この磁気回路に対して電磁力を発生させて可動するコイル４を主要素として構成される。遮光板２とコイル４との間は樹脂または接着剤の充填によって一体的に形成されており、ＶＣＭ４の動きに対して駆動周波数域における機械的な共振、位相遅れの機能障害が無い様に設計されている。遮光板２は遮光した状態において、光軸付近を遮光しないような略Ｕ字状の凹部、即ち開口部が設けられている。

遮光板２が駆動部であるＶＣＭ３と一体的に構成されていることにより高精度、高速の照明光量変化の実現が可能な照明装置を提供することが出来る。さらに、遮光板２は、光束径すなわち開口領域の小さい第２焦点近傍に設けられているから、遮光板２の小さな動作で大きな光量変化を与えて、高速の照明光量変化が可能な照明装置を提供することが出来ると共に、光軸上の照度が高い領域を遮光しない構成をなす為、遮光板２の位置決め誤差に対する照明光量誤差が小さくなり、所望の照明光量の調整が容易に実現可能な投射型表示装置を提供することが出来る。

本発明にかかる照明装置および投射型表示装置は、明るさや色ムラが少ない映像と、高コントラストを高い応答性で実現できる高画質化の映像技術として有用である。

本発明の実施例１における照明装置を用いた投射型画像表示装置の概略構成図 本発明の実施例１及び実施例２における照明装置に用いる超高圧水銀灯の配光分布を示す図 本発明の実施例１における照明装置の光線追跡の例を示す図 本発明の実施例１における照明装置の他の光線追跡の例を示す図 本発明の実施例２における照明装置を用いた投射型画像表示装置の概略構成図 本発明の実施例２における照明装置の光線追跡の例を示す図 本発明の実施例２における照明装置の他の光線追跡の例を示す図 本発明の照明装置における可変絞りとして使用する遮光板の構成を示す平面図 従来の照明装置における第１のフライアイレンズへの入射光束の強度分布を示す正面図

符号の説明

２ 遮光板
２ａ 凹部
３ ボイスコイルモータ
４ コイル
５ マグネット
６ ヨーク
７ 回動中心
１０ 遮光板の開口部
１１ 光源
１２ 楕円面鏡（反射鏡）
１２ａ 第１焦点
１２ｂ 第２焦点
１３ カラーホイール
１４ 凸レンズ
１５ 第１フライアイレンズ
１５ａ レンズセル
１６ 第２フライアイレンズ
１６ａ レンズセル
１７ 凸レンズ
１８ ＤＭＤ
１９ 投射レンズ
２０ スクリーン
２２ 放物面鏡（反射鏡）
２２ａ 放物面焦点
２３ 凸レンズ
２３ａ 凸レンズ焦点

Claims (12)

1. 反射鏡と、
   前記反射鏡に出射する光源と、
   前記光源から出射された光線が光軸に対し対称に出射し当該光線が集光される近傍に配置される遮光板と、
   を備え、
   前記遮光板を、前記光源から光軸の上側に出射された光線と下側に出射された光線が集光される焦点近傍で交差する交差領域に配置し、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴とする照明装置。
2. 光線を反射する楕円鏡と、
   前記楕円鏡の第１焦点に設けた光源と、
   前記楕円鏡の第２焦点近傍に配置される色付け手段と、
   前記光源から射出された光線を前記楕円鏡で第２焦点近傍に集光した光線を照明光学系を通して照射されるライトバルブと、
   前記楕円鏡に第２焦点近傍に集光する光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する遮光板とを備え、
   前記遮光板を、前記光源から光軸の上側に出射された光線と下側に出射された光線が前記楕円鏡の第２焦点近傍で交差する交差領域に配置し、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴とする照明装置。
3. 前記遮光板は、前記楕円鏡の第２焦点近傍に配置される色付け手段の近傍に光軸方向の前後何れか1方側に、設けられることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 放物面鏡の焦点に設けた光源と、
   前記光源から射出された光束を前記放物面鏡で平行光束にした後、凸レンズで集光する光源系と、
   前記凸レンズの焦点近傍に配置される色付け手段と
   前記光源系からの光束を光束を照明光学系を通して照射するライトバルブと、
   前記光源系からの射出光束を開口領域の大きさを変化させて前記ライトバルブに照射する光量を調整する遮光板とを備え、
   前記遮光板を、前記光源から光軸の上側に出射された光線と下側に出射された光線が前記凸レンズ焦点近傍で交差する交差領域に配置し、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴とする照明装置。
5. 前記遮光板は、前記凸レンズの焦点近傍に配置される色付け手段の近傍に光軸方向の前後何れか1方側に、設けられることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記照明光学系は、1組のフライアイレンズを有することを特徴とする請求項２又は請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記遮光板は、一端部に駆動部を有し当該駆動部近傍に設置する軸受けを中心として光軸方向に略垂直な面内を回動するアクチュエータの他端部に設けられて、その回動量に応じて遮光量の調整を行うことを特徴とする請求項２又は請求項４のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記遮光板の駆動部は、ボイスコイルモータで構成され、電磁力により駆動されることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記遮光板は、略Ｕ字状の開口部を有し、前記楕円鏡の第２焦点近傍を通過する光軸上の光束を通過さすことを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記照明装置として、請求項１、請求項２又は請求項４のいずれか一項に記載の照明装置を用いることを特徴とする投射型表示装置。
11. 光源から出射される光線を、遮光板を移動して光量を遮光する絞り機能を有する照明方法において、
    前記遮光板を、光源からの光線が光軸に対し上側と下側に対称に出射され当該光線が集光される焦点近傍で交差する交差領域に配置し、
    前記遮光板を、当該交差領域で光軸方向に対し略垂直方向に移動させて光線を遮光して光量を調整することを特徴とする照明方法。
12. 前記遮光板の駆動部は、ボイスコイルモータで構成され、電磁力により駆動されることを特徴とする請求項１１に記載の照明方法。

Images