JP5100430B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像信号に応じてライトバルブに照射される光の光量を調整する光量調整機構を備えた投射型表示装置に関する。

投射型表示装置においては、誘導光学系や投射レンズなどの光学系を構成する様々な光学要素から漏れた光および光学要素で発生する迷光（不要光）が原因となって、暗い映像が十分に暗く表示されず、高いコントラストを得ることが難しい傾向がある。特に、暗い室内でスクリーン上に映像を投射する場合には、暗い映像を十分に暗く表示しなければ、視聴者にコントラスト不足の印象を与えてしまう。特に液晶ライトバルブを用いた投射型表示装置では、液晶ライトバルブが光の偏光特性に応じて透過光を遮断するが、透過光を完全に遮断することができずに映像信号処理による対応にも限界があるため、コントラストの向上が要求されている。

このような問題の対策として、遮光板を第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間に配置し、映像信号に応じて平板状の遮光板を回動させることによってライトバルブに照射される光の光量を制御して、スクリーンなどに投射される映像のコントラストを向上させている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２００５−０２６８３５号公報

特許文献１では、遮光板の先端の形状が遮光板に対して鉛直方向に矩形面を有しているとき、第１のレンズアレイ付近であって、遮光板の回動方向での第２のレンズアレイの曲率中心の位置に遮光板の先端が存在すると遮光板の矩形面がライトバルブ上に結像するため、ライトバルブ上の回動方向および光軸方向に対して垂直方向にライン状の照度むらが生じる問題がある。さらに、遮光体の先端の形状によっては、十分なコントラストが得られないという問題がある。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、映像信号に応じてライトバルブに照射される光の照度むらを発生させない連続的な光量調整が容易であって、コントラストの十分な映像を常に表示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。

上記の課題を解決するために、本発明による投射型表示装置は、ライトバルブと、ライトバルブに照射する光を発生する光源と、光源とライトバルブとの間の光路上に配置され、光源からライトバルブに照射する光の照度分布を均一化させるインテグレータレンズと、光路上に配置され、光源からライトバルブに照射する光の光量を調整するための、一対の観音扉状に回動する遮光体を有する光量調整機構とを備え、遮光体は回動時、光量を減少させる方向にくの字状に折れ曲がって形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光源とライトバルブとの間の光路上に配置され、光源からライトバルブに照射する光の照度分布を均一化させるインテグレータレンズと、光路上に配置され、光源からライトバルブに照射する光の光量を調整するための、一対の観音扉状に回動する遮光体を有する光量調整機構とを備え、遮光体は回動時、光量を減少させる方向にくの字状に折れ曲がって形成されているので、映像信号に応じてライトバルブに照射される光の照度むらを発生させない連続的な光量調整が容易であって、コントラストの十分な映像を常に表示することが可能である。

本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。

〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１による投射型表示装置の照明光学系１の構成図である。図１に示すように、照明光学系１は、光源系３とライトバルブ２との間にインテグレータレンズ４、偏光変換素子５、コンデンサレンズ６、フィールドレンズ７、偏光板８から構成される。なお、本発明の実施形態１による投射型表示装置は、ライトバルブ２から出た光をスクリーンに投射するために投射レンズ（図示せず）を備えている。また、ライトバルブ２は、ＲＧＢのそれぞれの光路上に備えられており、図１に示す照明光学系１はＲＧＢのそれぞれの光路のうちの１つを代表的に示したものである。

ライトバルブ２は、本発明の実施形態では液晶ライトバルブを用いているが、レンズアレイを用いる場合は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や反射型液晶表示素子などであってもよい。

光源系３は、ライトバルブ２に光を照射するために備えられ、光源３ａと光源３ａから射出された光を反射によってインテグレータレンズ４に照射させる反射鏡３ｂとから構成される。光源３ａは、一般的に、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプが用いられるが、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、レーザ、無電極放電ランプなど、発光デバイスであればいかなるものであってもよい。反射鏡３ｂは、放物面や楕円面に形成されているが、光が偏光変換素子５に集光すればどのような形状、構造であってもよく、特に限定されるものではない。例えば、インテグレータ４に入射させる光を光軸Ｃとほぼ平行にする場合、反射鏡３ｂの形状を放物面にするか、または楕円面にするときは光をほぼ平行にするために、光源系３とインテグレータレンズ４との間に凹レンズを配置するなどすればよい（図３２参照）。

インテグレータレンズ４は、光源系３とライトバルブ２との間の光路上に配置され、光源系３からライトバルブ２に照射する光の照度分布を均一化させるために備えられ、第１のレンズアレイ４ａと第１のレンズアレイ４ａから離間配置された第２のレンズアレイ４ｂとから構成される。第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂは、複数の凸レンズが縦横に配置された構成であって、第１のレンズアレイ４ａの凸レンズと第２のレンズアレイ４ｂの凸レンズとはお互いに対応しており、相対して配置される。

偏光変換素子５は、偏光変換素子５に入射した光束を１種類の直線偏光光に変換して射出するものであり、ｘ軸方向に適当な間隔をあけて配置されている。図２は、本発明の実施形態１による偏光変換素子５の構成図である。図２に示すように、偏光変換素子５は、光軸Ｃ方向（ｚ方向）に対して傾斜（例えば、４５度）させて配置した複数の偏光分離膜５ａと、偏光分離膜５ａ間であって光軸Ｃ方向（ｚ方向）に対して傾斜（例えば、４５度）させて配置した複数の反射膜５ｂと、偏光変換素子５のライトバルブ２側の面上であって偏光分離膜５ａを透過した光が照射される部分にλ／２位相差板５ｃとから構成されている。偏光変換素子５に入射した光は、偏光分離膜５ａによってｓ偏光光とｐ偏光光とに分離される。ｐ偏光光は偏光分離膜５ａを透過し、λ／２位相差板５ｃにてｓ偏光光に変換されて偏光変換素子５から射出される。一方、ｓ偏光光は偏光分離膜５ａを反射し、反射膜５ｂを反射した後に偏光変換素子５から射出される。従って、偏光変換素子５から射出される光束は、ほぼ全てがｓ偏光光となる。

光量調整系９（光量調整機構）は、光路上に配置され、光源系３からライトバルブ２に照射する光の光量を調整するための、一対の観音扉状に回動する遮光体である回動機構９ａを有し、第１のレンズアレイ４ａと第２のレンズアレイ４ｂとの間に配置された回動機構９ａと、ライトバルブ２に入力される映像信号を検知し、検知結果からライトバルブ２に照射される光量の相対光量比を算出する信号検知部９ｂと、信号検知部９ｂによって算出された相対光量比に基づいて回動機構９ａの回動を制御する回動制御部９ｃとから構成されている。図３（ｂ）に示すように、回動機構９ａは遮光体９Ｔおよび９Ｂから構成され、遮光体９Ｔおよび９Ｂは、光量を減少させる（遮光する）方向にくの字状に折れ曲がって形成されている。また、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部は、光の通過を制限する凹状部９ｇに切り欠いて形成されている。凹状部９ａは、凹状曲線形状、放物線形状、半楕円形状、三角形状など、いかなる形状であってもよい。

次にコントラストの向上について説明する。映像信号の相対光量比が１００％の場合は、回動機構９ａによって遮光せずに１００％の相対光量で調整を行なう。例えば、映像信号の相対光量比が２０％の場合は、回動機構９ａによって相対光量比を２０％まで遮光することにより、約５倍の細やかな映像信号の調整が可能となる。また、回動機構９ａの遮光によって相対光量比を低くすることで、映像信号の相対光量比が０％の信号のときの黒色を遮光しない場合よりもさらに暗い黒にすることが可能である。すなわち、ライトバルブ２の透過率は概ね一定であることから、ライトバルブ２に照射する光量を回動機構９ａによって少なくすることにより、スクリーンに投射する映像を暗くすることが可能となってコントラストの向上が図れる。

図４（ａ）は図３（ａ）の遮光体９Ｔおよび９Ｂの回動動作を、図４（ｂ）は図３（ｂ）の遮光体９Ｔおよび９Ｂの回動動作を、それぞれ１５度ごとに回動させたときの回動動作示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端のｚ方向の移動量は、図４（ａ）の移動量Ｚａより図４（ｂ）の移動量Ｚｂの方が小さい（Ｚａ＞Ｚｂ）ため、図４（ｂ）の方が回動角度あたりのｙ方向への遮光体９Ｔおよび９Ｂの移動量が大きいことが分かる。従って、図４（ｂ）に示すような遮光体９Ｔおよび９Ｂの形状の方が少ない回動角度で相対光量比が１００％の照度となる。

図５は、回動機構９ａが図３の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。図３（ｂ）におけるγＴおよびγＢは２０度とし、それぞれの回動機構９ａの回動角度を２度ごととした。また、回動角度が０度とは、遮光体９Ｔおよび９Ｂが完全に閉じたとき、つまり各遮光体９Ｔおよび９Ｂが図４の４１ａおよび４１ｂの状態のときである。曲線５０は図３（ａ）の形状の回動機構９ａ、曲線５１は図３（ｂ）の形状の回動機構９ａの、それぞれのシミュレーション結果を示している。図５に示すように、曲線５１は曲線５０よりも相対光量比が低いときの立ち上がりが早く、回動角度が約７５度で相対光量比が１００％となっている。動作角度範囲が狭いことから、図３（ｂ）の形状は図３（ａ）の形状と比較して応答性の高い制御が可能となる。また、曲線５０および曲線５１より、相対光量比が低いところ以外における回動角度に対する相対光量比の変化は概ね等しいことが分かる。以上のことから、図１４に後述するように、相対光量比が低い場合では、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端を回動半径方向にくの字状に折れ曲げて形成することによって、照度むらを軽減することが可能となる。また、図５より、図３のように遮光体９Ｔおよび９Ｂのそれぞれの先端部に凹状部９ｇを２つ形成することによって、連続的に光量調整を行なうことが可能であることが分かる。なお、本発明の実施形態では、γＴおよびγＢを２０度としたが任意の角度でもよく、γＴ＝γＢの関係でなくとも同様の効果が得られる。また、本発明の実施形態に示される回動機構９ａの回動角度とライトバルブ２上の相対光量比との関係は、相対光量比は１００％の信号が入力されたときを示しており、回動機構９ａの特性のみを示している。

図６は、図５における相対光量比が２０％のときの遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端のｚ方向の位置を示している。図６（ａ）に示すように、図３（ａ）の形状のときの回動角度は約２４度となりα１≒２４度、図３（ｂ）の形状のときの回動角度は約１４度となりα２≒３４度である。また、図６（ｂ）のα３＝γＴであり２０度である。図６（ａ）の遮光体９Ｔおよび９Ｂの長さをｄ１、図６（ｂ）の遮光体９Ｔおよび９Ｂの回動軸から折れ曲げ部までの長さをｄ２、折れ曲げ部から先端までの長さをｄ３とする。以上の条件に基づいて、図３（ｂ）の遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端のｚ方向の位置を算出する。

図６（ａ）および（ｂ）より、遮光体９Ｔおよび９Ｂのｚ方向の移動量ＺｃおよびＺｄは以下の式（１）および式（２）によって表される。
Ｚｃ＝ｄ１×ｓｉｎ（α１）≒ｄ１×０．４１・・・（１）
Ｚｄ＝ｄ２×ｓｉｎ（α２）＋ｄ３×ｓｉｎ（α２−α３）
≒ｄ２×０．５６＋ｄ３×０．２４ ・・・（２）

図４（ｂ）より、ｄ１は式（３）で表される。
ｄ１＝ｄ２×ｃｏｓ（α３）＋ｄ３≒ｄ２×０．９４＋ｄ３・・・（３）

従って、Ｚｃは式（４）で表されるので、Ｚｃ＞Ｚｄの条件は式（５）によって満たされる。
Ｚｃ≒ｄ２×０．３９＋ｄ３×０．４１ ・・・（４）
１＞ｄ２／ｄ３ ・・・（５）

従って、ｄ２の長さをｄ３より短くすることにより、図３（ｂ）の形状は図３（ａ）の形状よりも照度むらを軽減することが可能となる。照度むらの原因は、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端の移動距離だけではないため、式（５）の条件は好ましいが、必ずしも満たす必要はない。

図７は、図３（ｂ）の形状で完全に遮光したときのライトバルブ２に照射される光の照度分布を示す図である。完全遮光時において、第２のレンズアレイ４ｂに入射した光は、ライトバルブ２の概ね全体（７ａの領域）とｘ方向の両端周辺部（７ｂの領域）を均一に重畳して照射されているため、照度むらは生じない。７ａの領域は、第２のレンズアレイ４ｂのセルの開口部の全体が概ね開口しているときのセル（図３（ｂ）の３０の領域）からライトバルブ２に照射された光の照度分布を示し、７ｂの領域は、第２のレンズアレイ４ｂのセルの開口部が約半分開口となっているときのセル（図３（ｂ）の３１の領域）からライトバルブ２に照射された光の照度分布を示している。

図８は、折れ曲げ部がない遮光体９Ｔおよび９Ｂに凹状部を形成しないときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。回動角度を２度ごとにシミュレーションを行なった。曲線８０より、回動角度に対する相対光量比の変化は連続的ではなく、平坦部が４箇所（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）存在していることが分かる。

図９は、第２のレンズアレイ４ｂの近傍の光源像を示す図である。図９は２５６階調のグレースケールで表している。図９より、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄのそれぞれは＋ｙ方向の光源像間の暗部を示している。図８における４箇所８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの平坦部は、図９に示す４箇所の光源像間の暗部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに対応しており、光源像間の暗部が図８の平坦部の影響であることが確認できる。従って、光量の変化を連続的にするためには、光源像間の明暗部を同時に遮光する必要がある。図３に示すように、遮光体９Ｔおよび９Ｂに凹状部を形成すると図５のように光量を連続的に変化させることが可能であることから、遮光体９Ｔおよび９Ｂに凹状部を形成することによって、光源像間の明暗部を同時に遮光することが可能となる。

図１０は、遮光体９Ｔおよび９Ｂの形状の一例を示す図であり、１つの凹状部９ｇを光軸Ｃに対して対称に形成している。このような形状で完全に遮光したときは、ライトバルブ２上の照射分布は概ね均一である。

図１１は、遮光体９Ｔおよび９Ｂが図１０の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。図１０における遮光体９Ｔおよび９ＢのγＴおよびγＢを２０度とする。曲線１１０は図１０の形状の回動機構９ａのシミュレーション結果である。曲線８０は図８の凹状部を形成しない形状の回動機構９ａのシミュレーション結果を示しており、凹状部９ｇの形成の有無による効果を比較している。比較の容易のために、曲線８０は曲線１１０と重なり合うようにシフトしている。図１１より、遮光体９Ｔおよび９Ｂに凹状部９ｇを１つ形成した場合であっても、凹状部を形成していない遮光体９Ｔおよび９Ｂよりも連続的に光量調整することができる。すなわち、遮光体９Ｔおよび９Ｂに少なくとも１つの凹状部９ｇを形成することは、連続的な光量調整に効果がある。ただし、図５の曲線５１および図１１の曲線１１０より、凹状部を２つ形成した場合の方が、凹状部を１つ形成した場合より、光量が滑らかに変化しており、より滑らかな光量調整を行うためには複数の凹状部を形成することが好ましい。

図１２は、遮光体９Ｔおよび９Ｂが遮光時に、第１のレンズアレイ４ａ側に回動するときにおける光の軌跡、特に第１のレンズアレイ４ａの最も＋ｙ方向に位置するレンズセルを通過する光の軌跡を示す図である。ここでは遮光体９Ｔのみについて説明するが、遮光体９Ｂについても同様である。１２０ａはレンズセルの中心より＋ｙ側を通過する光の軌跡、１２０ｂはレンズセルの中心を通過する光の軌跡、１２０ｃはレンズセルの中心より−ｙ側を通過する光の軌跡を示している。図１２に示すように、遮光体９Ｔの折り曲げ角度が小さいか、または折り曲げ位置が回動軸から遠い場合は、遮光体９Ｔを反射した不要な光が第２のレンズアレイ４ｂを通過して、照明光学系１の筐体（図示せず）内を多重反射することにより、スクリーン上に現れる可能性がある。よって、図１２に示すような遮光体９Ｔおよび９Ｂの開閉方向ではなく、遮光時に、第２のレンズアレイ４ｂ側に回動する遮光体９Ｔおよび９Ｂの方が好ましい。

図１３（ａ）は、遮光体９Ｔおよび９Ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法が第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂよりも小さいときの光の軌跡を示す図である。また、図１３（ｂ）は、各遮光体９Ｔおよび９Ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法と第２のレンズアレイ４ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法を比較した図であり、各遮光体９Ｔおよび９Ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法が、第２のレンズアレイ４ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法より小さいことを示す。ここでは遮光体９Ｔのみについて説明するが、遮光体９Ｂについても同様である。１３０ａは第１のレンズアレイ４ａの光軸Ｃから＋ｙ方向に５つ目に位置するレンズセルの中心を通過する光の軌跡、１３０ｂは第１のレンズアレイ４ａの光軸Ｃから＋ｙ方向に２つ目かつ＋ｘ方向に３つ目に位置するレンズセルの中心より＋ｘ方向側を通過する光の軌跡を示している。図１３（ａ）に示すように、遮光体９Ｔおよび９Ｂの回動軸よりも＋ｙ側に位置する第１のレンズアレイ４ａを通過した光は、遮光体９Ｔおよび９Ｂの当たることなく＋ｙ側を通過していくことが分かる。従って、第１のレンズアレイ４ａから射出された光を遮光体９Ｔおよび９Ｂによって光量調整するためには、遮光体９Ｔおよび９Ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法は第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂよりも大きいことが好ましい。第１のレンズアレイ４ａよりも第２のレンズアレイ４ｂの方が寸法が大きいときは、遮光体９Ｔおよび９Ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法は第２のレンズアレイ４ｂよりも大きくすることが好ましいが、第２のレンズアレイ４ｂと偏光変換素子５との間に遮光板を備えて第２のレンズアレイ４ｂを通過した不要光を遮光することが可能である。このことから、遮光体９Ｔおよび９Ｂのｘ方向およびｙ方向の寸法は、第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂよりも必ずしも大きい必要はない。

図１４は、ライトバルブ２の中心から逆光線追跡を行なったときの光の軌跡を示した図である。１４０は光の軌跡を示し、１４１の領域は１４０の光が集光する位置を示している。図１４に示すように、第１のレンズアレイ４ａ近傍の像がライトバルブ２に結像することが確認できることから、ライトバルブ２と第１のレンズアレイ４ａの入射面近傍は共役関係にある。よって、１４１の領域の近傍に遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端が位置するときに、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端がライトバルブ２に結像し、ライトバルブ２上の中心付近であってｘ方向にライン状の照度むらが生じてしまう。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端を第２のレンズアレイ４ｂに近づける、すなわち回動軸を第２のレンズアレイ４ｂの近傍に配置することが好ましい。

また、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部に注目すると、遮光体９Ｔおよび９Ｂを光量を減少させる（遮光する）方向にくの字状に折れ曲げて形成する方が折れ曲げないときよりもｙ方向に結像する幅（図１５のｄｙ１および図１６のｄｙ２参照）が狭くなるため、ライトバルブ２上に生じる照度むらを軽減することが可能となる。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂを光量を減少させる（遮光する）方向にくの字状に折れ曲がって形成することによって、ライトバルブ２上に生じる照度むらを軽減することが可能となる。

図１５および図１６は、図３（ａ）および図３（ｂ）の形状のときにおける、ライトバルブ２上に遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端の結像が生じるときの遮光体９Ｔおよび９Ｂの回動位置を示す図である。ライトバルブ２上に結像が生じる条件として、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端は、第２のレンズアレイ４ｂの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心位置と同じ位置であって、第１のレンズアレイ４ａの近傍に位置する。１５０、１５１、１６０、１６１はいずれも、第２のレンズアレイの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心を通る軸を示している。１５２、１６２はいずれも、遮光体９Ｔの先端部分を示している。

遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端を、第２のレンズアレイ４ｂの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心位置と同じ位置にする理由について説明する。まず、第２のレンズアレイ４ｂの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に１つ目のレンズセルの曲率中心位置と同じ位置では、照度が低いためにライトバルブ２上に生じた照度むらの確認が難しい。また、第２のレンズアレイ４ｂの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に３つ目のレンズセルの曲率中心位置と同じ位置では、光軸Ｃから＋または−ｙ方向に１つ目のレンズセルと２つ目のレンズセルから照度むらのない光がライトバルブ２上に重畳されるため、３つ目のレンズセルによるライトバルブ２上の照度むらが相対的に低くなって確認が難しくなる。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端の結像がライトバルブ２上に確認されやすい条件として、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端を、第２のレンズアレイ４ｂの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心位置と同じ位置に配置した。

図１７（ａ）は、図３（ａ）の凹状部９ｇがない形状であって図１５の状態のときのライトバルブ２上の照度分布のシミュレーション結果を示しており、図１７（ｂ）は、図３（ｂ）の凹状部がない形状であって図１６の状態のときのライトバルブ２上の照度分布のシミュレーション結果を示している。図１７に示すように、１７０ａおよび１７０ｂは照度が低い領域を示し、１７１ａおよび１７１ｂはライトバルブ２の中心を通るｙ軸を示している。１７０ａと１７０ｂとを比較すると、１７０ｂの方が照度むらが少ないことが確認できる。これは、図１５のｄｙ１と図１６のｄｙ２との関係がｄｙ１＞ｄｙ２となっているためである。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂを光量を減少させる（遮光する）方向にくの字状に折れ曲がって形成することによって、ライトバルブ２上に生じる照度むらを軽減することが可能となる。このことから、前述した式５の条件を満たさなくても、遮光体９Ｔおよび９Ｂを折れ曲げて形成すれば照度むらを軽減できる。

図１８は、図３（ｂ）の形状であって図１６の状態のときのライトバルブ２上の照度分布のシミュレーションの結果を示している。図１８に示すように、ライトバルブ２の中心からｘ方向には照度が低い領域はほとんどない。１８０はライトバルブ２の中心からｙ方向の照度が低い領域を示し、１８１はライトバルブ２の中心を通るｙ軸を示している。遮光体９Ｔおよび９Ｂの凹状部９ｇが第２のレンズアレイ４ｂの集光位置となって１８０の領域に僅かな照度むらが確認できるが、ライトバルブ２の全体の照度分布は概ね均一であるため問題ない。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂを光量を減少させる（遮光する）方向にくの字状に折り曲げ、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部に凹状部を少なくとも１つ形成し、さらに先端の凹状部以外の平坦部を少なくすることによって、ライトバルブ２上に結像される先端形状の重畳が減り、照度むらを大きく軽減することが可能となる。

図１９は、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１８のそれぞれにおいて示したｙ軸である１７１ａ、１７１ｂ、１８１上におけるｙ方向の相対光量比を示した図である。横軸は図１８に示すライトバルブ２の縦軸に対応する。図１９に示すように、１９０は１７１ａ上における相対光量比、１９１は１７１ｂ上における相対光量比、１９２は１８１上における相対光量比をそれぞれ示している。図１９より、ライトバルブ２のｙ方向の中心である０．５Ｙにおける相対光量比の値を比較すると、１９０＜１９１＜１９２となっており、照度むらも１９０、１９１、１９２の順に軽減していることが確認できる。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂを光量を減少させる（遮光する）方向にくの字状に折れ曲がって形成し、先端部を凹状部に形成することによって照度むらを軽減することができる。

なお、本発明の実施形態では、図４（ｂ）の４１ｂの場合において、図６に示す角度をγＴ＝α２＝α３としているが、α３＞α２＝γＴとすることによって、図１６に示すｄｙの幅をさらに小さくすることが可能となるため、図４（ｂ）に示す形状よりもさらに照度むらを軽減することができる。また、遮光体９Ｔおよび９Ｂの折り曲げは１箇所のみであるが、図１６に示すｄｙの幅が小さくなるのであれば２箇所折り曲げてもよい。そうすることによって照度むらを軽減することができる。さらに、図３（ｂ）では、折り曲げ位置を第２のレンズアレイ４ｂの光軸Ｃを中心としてｙ方向に２つ目のレンズセル近傍の位置としているが、いかなる位置で折り曲げてもよい。

以上のことから、回動機構９ａの遮光体９Ｔおよび９Ｂを光量を減少させる（遮光する）方向にくの字状に折れ曲がって形成し、先端部を少なくとも１つの凹状部に切り欠いて形成することによって、ライトバルブ２上に照度むらを生じさせることのない、連続的な光量調整が可能となる。

〈実施形態２〉
図２０は、本発明の実施形態２による投射型表示装置の照明光学系１ｂの構成図である。本発明の実施形態２では、回動機構９ａの遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部が刃形状部に削いで形成されていることを特徴とする。それ以外の部分についての構成および動作については実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図２１は図１５と同図であり、図２２は図１５と遮光体９Ｔおよび９Ｂの配置位置は同様である。また、２１０、２１１、２２０、２２１はいずれも、第２のレンズアレイの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心を通る軸を示している。図２２に示すように、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部は２２０より光軸Ｃ側が削られて刃形状部に形成されている。こうすることにより、ｄｙの幅を小さくしている。なお、遮光体９Ｔおよび９Ｂの幅ｔは、回動機構９ａの回動に対する遮光体の強度を考慮し、通常０．５ｍｍ程度である。２１２、２２２はいずれも、遮光体９Ｔの先端部分を示している。

図２３（ａ）は、図３（ａ）の凹状部９ｇがない形状であって図２１の状態のときのライトバルブ２上の照度分布のシミュレーション結果を示しており、図２３（ｂ）は、図３（ａ）の凹状部がない形状であって図２２の状態のときのライトバルブ２上の照度分布のシミュレーション結果を示している。ここで、ｔ＝０．５ｍｍとする。図２３に示すように、２３０ａおよび２３０ｂは照度が低い領域示し、２３１ａおよび２３１ｂはライトバルブ２の中心を通るｙ軸を示している。２３０ａと２３０ｂとを比較すると、２３０ｂの方が照度むらが大きく改善していることが確認できる。従って、図２２に示すように、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部を第２のレンズアレイの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心を通る軸より光軸Ｃ側を刃形状部に削いで形成することによって照度むらを大きく軽減することが可能である。

図２４は、図２３（ａ）、図２３（ｂ）のそれぞれにおいて示したｙ軸である２３１ａ、２３１ｂ上におけるｙ方向の相対光量比を示した図である。図２４に示すように、２４０は２３１ａ上における相対光量比、２４１は２３１ｂ上における相対光量比をそれぞれ示している。図２４より、ライトバルブ２のｙ方向の中心である０．５Ｙにおける相対光量比の値を比較すると、２４１の方が２４０よりも高くて照度むらが大きく軽減していることが分かる。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部を第２のレンズアレイの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心を通る軸より光軸Ｃ側を刃形状部に削いで形成することによって照度むらを大きく軽減することが可能である。

図２５は、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部の形状を示した図である。２５０、２５１はいずれも、第２のレンズアレイの光軸Ｃから＋または−ｙ方向に２つ目のレンズセルの曲率中心を通る軸を示している。図２５より、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部の角度がβよりも小さいことが好ましい。

以上のことから、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部に少なくとも１つの凹状部を切り欠いて形成し、さらに先端部を刃形状部に削いで形成することによって、ライトバルブ２上に照度むらを発生させることなく連続的な光量調整を行なうことが可能となる。

〈実施形態３〉
図２６は、本発明の実施形態３による投射型表示装置の照明光学系１ｃの構成図である。本発明の実施形態３では、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部の形状が、小さい開口面積で、ライトバルブ２上の照度むらを発生させずにかつコントラストを十分高くすることが可能であることを特徴としている。それ以外の部分についての構成および動作については実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

第２のレンズアレイ４ｂから射出した光２７０は、大きな入射角度でライトバルブ２に入射する。このとき、ライトバルブの特性上、ライトバルブ２に入射する光の角度が大きくなるに従ってコントラストが低下する（図２９参照）ので、遮光体９Ｔおよび９Ｂの形状は、ライトバルブ２に対する入射角が大きい光、特にｘ方向の入射光を遮光することが好ましい。

図２８に第２のレンズアレイ４ｂと偏光変換素子５のｘｙ平面の正面図（ａ）および側面図（ｂ）の一例を示す。図２８（ｃ）は、図２をさらに詳細に図示した図である。また、図２８（ｃ）には、第２のレンズアレイ４ｂに入射する光の軌跡を示す。ここで、点線部は偏光変換素子５を示し、グレー色はλ／２位相差板５ｃを示す。通常、偏光変換はλ／２位相差板５ｃの領域のみに光を集光させることにより、効率よく偏光変換を行なう。従って、光線２７０、２７１、２７２、２７３、２７４、２７５が偏光変換される光線となる。図２８（ｃ）より、入射したｐ＋ｓの直線偏光は、ｐ偏光光は偏光変換素子５に入射後、λ／２位相差板５ｃによりｓ偏光光に変換されるため、入射位置と等しいｘ方向位置にて偏光変換素子５を射出されるが、ｓ偏光光と比較して光軸からｄｘ（２７５ａ−２７５ｂ間距離）離れた位置に射出することとなる。従って、光軸からｘ方向に離れた光の入射を遮光することがコントラストの向上には不可欠となる。つまり、光線２７０、２７５がコントラストに影響を及ぼす光となる。つまり、光軸Ｃに近いｘ方向の位置に光線を入射させることがコントラスト向上の条件となる。

図３０は、遮光体９Ｔおよび９Ｂの形状を示している。遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端の凹状部は面積が異なる２つの凹状部である９ｇおよび９ｈを含み、９ｇは９ｈより開口面積が小さい。また、９ｇおよび９ｈは、遮光体９Ｔおよび９Ｂを閉じたときに光軸Ｃに対して点対称の位置で遮光体９Ｔおよび９Ｂに形成されている。

図３１は、第２のレンズアレイ４ｂの各セルを通過する光の光量をシミュレーションによって算出し、算出結果を各セルごとに数値として示した図である。図３０のような形状にすることによって、ｘ方向のコントラストの差異を軽減させている。なお、図３１では、第２のレンズアレイ４ｂは上下左右が対称であるため第１象限部分を代表させている。

図３２は、光源３ａから射出した光が反射鏡３ｂで反射されている様子をシミュレーションで示した図である。反射鏡３ｂは楕円面とし、光源系３から射出した光を凹レンズ３１０によって平行にしている。通常、光軸Ｃ付近には光源のバルブが存在し、３１１はその開口部を示している。

図３２に示すように開口部が３１１となっているため、図３１に示すＶ１Ｈ１のセルは光源系３から射出される光の量が少なくなっている。図３０の形状で完全に遮光しているとき、凹状部９ｇはライトバルブ２のｘ方向の両端部を照射し、凹状部９ｈはライトバルブ２の中央部を照射している。すなわち、ライトバルブ２のｘ方向の両端部および中央部に照射される光の相対光量を等しくして重ね合わせることによって、均一な照度分布となる。例えば、凹状部９ｇと凹状部９ｈの形状が同一の場合では、図３３に示すように、ライトバルブ２の中央部の照度が低くなって照度むらが生じる。従って、凹状部９ｈは凹状部９ｇよりも開口面積が大きい必要がある。図３３において、凹状部９ｇから射出した光はライトバルブ２上の３２ｂの領域を照射し、凹状部９ｈから射出した光はライトバルブ２上の３２ａの領域を照射する。

図３４にコントラストを考慮した遮光体９Ｔおよび遮光体９Ｂの形状を示す。凹状部９ｉは、直角三角形形状に開口部を有してセル（Ｖ１Ｈ１）内に形成され、ライトバルブ２上の照度分布は均一となる。しかし、図３１によりセル（Ｖ１Ｈ１）を通過する光量が少ないことから、１００％の映像信号をスクリーン上に表示した場合に、光量が少ないため、スクリーン上に投影される映像のコントラスト感が十分に得られなくなる。

以上より、通常、ライトバルブ２上で照度むらを発生させないためには、開口部が８セル程度必要となる。しかし、形状および開口に入射する相対光量比を考慮することにより、約４セルでライトバルブ２上に照度むらを発生させないことが可能となる。つまり、開口面積が大きい凹状部９ｈのｘ方向の頂点を、光軸Ｃに最も近いセル（Ｖ１Ｈ１）のｘ方向中心とし、開口面積が小さい凹状部９ｇの頂点を、光軸Ｃに最も近いセル（Ｖ１Ｈ１）と光軸Ｃの逆に隣接するセル（Ｖ２Ｈ１）との接合部とすることにより、約４セルでライトバルブ２上に照度むらを発生させずにコントラストを向上させることが可能となる。

図３５は、遮光体９Ｔおよび９Ｂが図３０の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。曲線３３１は図３０の形状の回動機構９ａのシミュレーション結果である。曲線３３０は図８の凹状部を形成しない形状の回動機構９ａのシミュレーション結果を示している。比較の容易のために、曲線３３０は曲線３３１と重なり合うようにシフトしている。図３５より、遮光体９Ｔおよび９Ｂを図３０のような形状にすることによって、回動角度に対して概ね連続的にライトバルブ２への光量調整が可能であることが確認できる。従って、遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端部の形状を図３０のようにすることによって、ライトバルブ２上に照度むらを発生させることなく連続的に光量調整が可能であり、コントラストを向上させることができる。

本実施形態では、楕円形状を示したが、本実施形態と同様に開口面積および頂点位置を考慮すれば、三角形状に関しても同様の効果が得られる。

図３６は、遮光体９Ｔおよび９Ｂの形状を示している。遮光体９Ｔおよび９Ｂの先端の凹状部は三角形状に形成されている。図３６の形状は、相対光量比が３０％以下のときに光量調整を細かく行なうことが可能であることを特徴とする。凹状部９ｇを第２のレンズアレイ４ｂのｘ方向の両側に配置することによって、相対光量比の低い部分を細かく制御することが可能となる。また、完全に遮光したときの第２のレンズアレイ４ｂの使用セル数は少ないが、図３６のような三角形の形状にすることによって照射領域の重ね合わせによってライトバルブ２上の照度分布は均一となるため、照度むらは生じない。

図３７は、遮光体９Ｔおよび９Ｂが図３６の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。曲線３５１は図３６の形状の回動機構９ａのシミュレーション結果である。曲線３５０は図３８の形状の回動機構９ａのシミュレーション結果を示している。比較の容易のために、曲線３５０は曲線３５１と重なり合うようにシフトしている。図３７より、遮光体９Ｔおよび９Ｂを図３６のような形状にすることによって、相対光量比が１０％〜３０％付近では傾きが緩やかな曲線となっている。このように緩やかな曲線になる理由としては、回動機構９ａの回動角度が低いときにおいて、図３１に示すＶ１Ｈ１のレンズセルが遮光されていくので、照度変化を小さくすることが可能だからである。相対光量比が１０％〜３０％の低い領域では、人間の目視による相対光量比の変化の感度が特に高いため、回動機構９ａによる細かい光量調整は重要である。従って、図３６のような形状にすることによって、３０％よりも低い相対光量比での光量調整を細かく制御することが可能となる。

以上のことから、遮光体９Ｔおよび９Ｂを図３６に示すような形状にすることによって、相対光量比が低い場合において細かく光量調整をすることが可能となる。

本発明の実施形態１による投射型表示装置の照明光学系の構成図である。 本発明の実施形態１による偏光変換素子の構成図である。 本発明の実施形態１による回動機構の形状の一例を示す図である。 本発明の実施形態１による回動機構の回動動作を示す図である。 本発明の実施形態１による回動機構が図３の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。 本発明の実施形態１による相対光量比が２０％のときにおける回動機構の先端のｚ方向の位置を示す図である。 本発明の実施形態１による回動機構が図３（ｂ）の形状で完全に遮光したときのライトバルブに照射される光の照度分布を示す図である。 本発明の実施形態による遮光体に凹状部を形成しないときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。 本発明の実施形態１による第２のレンズアレイ近傍の光源像を示す図である。 本発明の実施形態１による回動機構の形状の一例を示す図である。 本発明の実施形態１による回動機構が図１０の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。 本発明の実施形態１による回動機構の形状に対する光の軌跡を示す図である。 本発明の実施形態１による回動機構の寸法がレンズアレイよりも小さいときの光の軌跡を示す図である。 本発明の実施形態１によるライトバルブの中心から逆光線追跡を行なったときの光の軌跡を示した図である。 本発明の実施形態１によるライトバルブに結像が生じるときにおける回動機構の回動位置を示す図である。 本発明の実施形態１によるライトバルブに結像が生じるときにおける回動機構の回動位置を示す図である。 本発明の実施形態１によるライトバルブに照射された光の照度分布を示した図である。 本発明の実施形態１によるライトバルブに照射された光の照度分布を示した図である。 本発明の実施形態１による図１７および図１８の各ｙ軸上における相対光量比を示した図である。 本発明の実施形態２による投射型表示装置の照明光学系の構成図である。 本発明の実施形態２によるライトバルブに結像が生じるときの回動機構の回動位置を示す図である。 本発明の実施形態２によるライトバルブに結像が生じるときの回動機構の回動位置を示す図である。 本発明の実施形態２によるライトバルブに照射された光の照度分布を示した図である。 本発明の実施形態２による図２３の各ｙ軸上における相対光量比を示した図である。 本発明の実施形態２による回動機構の先端形状を示す図である。 本発明の実施形態３による投射型表示装置の照明光学系の構成図である。 本発明の実施形態３によるライトバルブに入射する光の光路を示した図である。 本発明の実施携帯３による第２のレンズアレイと偏光変換素子とを通過する光の軌跡を示した図である。 本発明の実施形態３によるライトバルブへの光の入射角度とコントラストとの関係図である。 本発明の実施形態３による回動機構の形状の一例を示す図である。 本発明の実施形態３による第２のレンズアレイ４ｂの各セルを通過する光の光量を示す図である。 本発明の実施形態３による光源３から射出された光の軌跡を示す図である。 本発明の実施形態３によるライトバルブに照射された光の照度分布を示した図である。 本発明の実施形態３による回動機構の形状の一例を示す図である。 本発明の実施形態３による回動機構が図３０の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。 本発明の実施形態３による回動機構の形状の一例を示す図である。 本発明の実施形態３による回動機構が図３５の形状のときの回動角度と相対光量比との関係を示す図である。 本発明の実施形態３による回動機構の形状の一例を示す図である。

符号の説明

１ 照明光学系、２ ライトバルブ、３ 光源系、３ａ 光源、３ｂ 反射鏡、４ インテグレータレンズ、４ａ 第１のレンズアレイ、４ｂ 第２のレンズアレイ、５ 偏光変換素子、５ａ 偏光分離膜、５ｂ 反射膜、６ コンデンサレンズ、７ フィールドレンズ、８ 偏光板、９ 光量調整系、９ａ 回動機構、９ｂ 信号検知部、９ｃ 回動制御部、９Ｂ 遮光体、９Ｔ 遮光体。

Claims (13)

1. ライトバルブと、
   前記ライトバルブに照射する光を発生する光源と、
   前記光源と前記ライトバルブとの間の光路上に配置され、前記光源から前記ライトバルブに照射する光の照度分布を均一化させるインテグレータレンズと、
   前記光路上に配置され、前記光源から前記ライトバルブに照射する光の光量を調整するための、一対の観音扉状に回動する遮光体を有する光量調整機構と、
   を備え、
   前記遮光体は光量を減少させる方向にくの字状に折れ曲がって形成されていることを特徴とする、投射型表示装置。
2. 前記遮光体は、先端部が凹状部に切り欠いて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記遮光体は、先端部が刃形状部に削いで形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の投射型表示装置。
4. 前記インテグレータレンズは、前記光源側に備えられた第１のレンズアレイと、前記ライトバルブ側に備えられた第２のレンズアレイとから構成され、
   前記遮光体は、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間に配置されて、前記第１のレンズアレイに向かって開閉する方向に回動することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の投射型表示装置。
5. 前記遮光体の回動軸は、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間であって、前記第２のレンズアレイ付近に配置されることを特徴とする、請求項４に記載の投射型表示装置。
6. 前記一対の遮光体の両回動半径方向の寸法は、前記インテグレータレンズの寸法よりも大きいことを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の投射型表示装置。
7. 前記遮光体は、先端部が凹状部に切り欠いて形成され、
   前記凹状部は、凹状曲線形状に形成されることを特徴とする、請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の投射型表示装置。
8. 前記遮光体は、先端部が凹状部に切り欠いて形成され、
   前記凹状部は、放物線形状に形成されることを特徴とする、請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の投射型表示装置。
9. 前記遮光体は、先端部が凹状部に切り欠いて形成され、
   前記凹状部は、半楕円形状に形成されることを特徴とする、請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の投射型表示装置。
10. 前記遮光体は、先端部が凹状部に切り欠いて形成され、
    前記凹状部は、三角形状に形成されることを特徴とする、請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の投射型表示装置。
11. 前記遮光体は、先端部が凹状部に切り欠いて形成され、
    前記凹状部は、前記遮光体に複数形成されることを特徴とする、請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の投射型表示装置。
12. 前記遮光体は、先端部が凹状部に切り欠いて形成され、
    前記凹状部は、面積が異なる２つの凹状部を含み、該２つの凹状部は前記遮光体を閉じたときに光軸に対して点対称の位置で各前記遮光体に形成されることを特徴とする、請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の投射型表示装置。
13. 前記インテグレータレンズは、前記光源側に備えられた第１のレンズアレイと、前記ライトバルブ側に備えられた第２のレンズアレイとから構成され、
    前記光軸方向であるｚ軸と、前記ｚ軸に対して直交して水平方向であるｘ軸と、前記ｚ軸と前記ｘ軸とに対して直交して垂直方向であるｙ軸とからなるｘｙｚ座標系を想定したときの面積が異なる２つの前記凹状部において、
    開口面積が大きい方の前記凹状部の頂点は、前記第２のレンズアレイの前記光軸に最も近いｘ軸方向のレンズセルの中心からｙ軸方向に位置し、開口面積が小さい方の前記凹状部の頂点は、前記レンズセルと、ｘ軸上であって前記レンズセルの前記光軸側と相対する側のレンズセルとの接合部からｙ軸方向に位置することを特徴とする、請求項１２に記載の投射型表示装置。