JP2001174912A

JP2001174912A - 投射型表示装置

Info

Publication number: JP2001174912A
Application number: JP36125199A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ichikawa; 武史市川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】パネルサイズが小さく、システムのサイズも
小さい投射型表示装置において、環境の明るさに影響さ
れることなく、対応でき、所要の明るさとコントラスト
を維持できて、高品質な映像が実現できる投射型表示装
置を提供する。【解決手段】明るいバックグランドに対応して、表示
パネルでの所要の明るさを確保するためのシステム輝度
になる光源、あるいは、該光源およびリフレクターから
所要の光路を経て前記表示パネルへ供給される投射光束
の角度範囲を可変に制御することで、その明るさの減少
と共に表示パネルでのコントラスト値を大きく上昇する
手段を装備していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投射型表示装置に
関し、特に、フロントタイプの投射型表示装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】先ず、従来の投射型表示装置について、
図１２を参照して具体的に説明する。なお、ここでは、
３枚の液晶の反射型表示パネルを用いている。ここで、
符号１は光源としてのランプ、２はランプ１に付帯する
リフレクター、３はランプ１の光源像から２次光源像を
形成する光学手段としてのロッドインテグレーター、４
はコリメーターレンズ、５は偏光変換素子、６はリレー
レンズ、７は色分解ダイクロイックミラー、８はＰＢＳ
（偏光ビームスプリッター）である。また、符号９はク
ロスプリズム、１０は液晶表示パネル、１１は投影レン
ズ、１２は全反射ミラーである。

【０００３】ランプ１から出た光束は、リフレクター２
で反射し、インテグレーター３の入口に集光する。この
リフレクター３は、ここでは、楕円リフレクターであ
り、発光部及びインテグレーターの入口に、その焦点が
存在する。従って、インテグレーター３に入った光束
は、インテグレーター３の内部で、０〜数回反射を繰り
返し、インテグレーター３の出口で、２次光源像を形成
する。なお、２次光源形成法としては、特開平３−１１
１８０６号公報などに所載のフライアイを用いた方法な
どもあるが、ここでは、これを例示、説明しない。

【０００４】而して、２次光源からの光束は、コリメー
ターレンズ４を通して、概ね、平行光になり、偏光変換
系のＰＢＳなどの偏光変換素子５に入射する。Ｐ波はＰ
ＢＳで反射し、λ／２板を通って（全てが）Ｓ波とな
り、リレーレンズ６に入射する。光束はリレーレンズ６
により、液晶表示パネル１０に集光されるが、その間の
光路には、ダイクロイックミラー７、偏光板（図示せ
ず）、ＰＢＳ８、クロスプリズム９などの色分解系が構
成されていて、Ｓ波が、それぞれ３枚の液晶表示パネル
１０に入射される。

【０００５】液晶表示パネルでは、液晶シャッターが、
映像に合わせて、画素ごとに電圧を制御し、液晶の作用
により、Ｓ波を楕円偏光（もしくは直線偏光）に変調
し、ＰＢＳ８でＰ波成分を透過させ、クロスプリズム９
で色合成した後で、投影レンズ１１から投影する。この
形態は一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、パネルサイ
ズを縮小して、全体のシステムの大きさを縮小しようと
すると、Etendue（面積と角度の積）の考えから、表示
パネルへの入射角度が大きくなり、系のコントラストを
大きく劣化させることが解っている（例えばY.Ito et a
l SID 97 DiGEST p993, J.Iwai IDW 98 p721 などを参
照）。

【０００７】従って、そのコントラストの確保のため
に、投射角度の大きい成分の光を捨てて、明るさを落と
すシステム設計を行っているので、システム構成が小さ
いと、画面が暗いというのが、投射型表示装置の一般的
な通念であった。例えば、現在は、光源に１００Ｗクラ
スの高圧水銀ランプを用いて、１．３インチの液晶表示
パネルを用いる場合で、１２００ANSILumenの明るさが
実現できるが、０．９インチの液晶表示パネルでは、８
００ANSILumenが精々である。

【０００８】本発明は、この問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、パネルサイズが小さく、シ
ステムのサイズも小さい投射型表示装置において、環境
の明るさに対応でき、所要の明るさとコントラストを維
持できて、高品質な映像が実現できる投射型表示装置を
提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
明るいバックグランドに対応して、表示パネルでの所要
の明るさを確保するためのシステム輝度になる光源、あ
るいは、該光源およびリフレクターから所要の光路を経
て前記表示パネルへ供給される投射光束の角度範囲を可
変に制御することで、その明るさの減少と共に表示パネ
ルでのコントラスト値を大きく上昇する手段を装備して
いることを特徴とする。

【００１０】この場合、本発明の実施の形態として、前
記可変制御手段が、前記光源、あるいは、該光源および
リフレクターから所要の光路へ導出される光束の角度範
囲を可変に制御する手段であること、特に、前記可変制
御手段が、前記光源およびリフレクターから所要の光路
へ導出される光束の角度範囲を、開口絞り手段で実現す
ること、あるいは、前記可変制御手段が、前記光源およ
びリフレクターから所要の光路へ導出される光束の角度
範囲を、前記リフレクターの反射経路もしくは反射率の
可変制御で実現することが有効である。更には、前記可
変制御手段が、前記表示パネルへ光束を投射する投射レ
ンズの入口側に設けられて、その開口を規制し、投射光
束の角度範囲を可変に制御する手段であることも有効で
ある。

【００１１】また、上述の投射型表示装置おいて、前記
光路には、色分解光学系があり、前記可変制御手段は、
前記光路にある１枚以上のレンズからなるリレーレンズ
群から前記表示パネルまでの距離、および、前記リレー
レンズ群から光源までの距離の、少なくとも一方を可変
制御するように構成されていると、特に、その光源が２
次光源であることは、好ましい実施の形態である。

【００１２】同様に、上述の投射型表示装置において、
前記光路には、色分解光学系および１枚以上のレンズか
らなるリレーレンズ群があり、前記可変制御手段は、そ
のリレーレンズ群の構成を制御して、明るさ及びコント
ラストを可変に制御することが有効である。

【００１３】この場合、前記可変制御手段は、前記リレ
ーレンズ群の開口を規制し、投射光束の角度範囲を可変
に制御する手段であること、前記光路には、前記光源の
光源像から２次光源像を形成する光学手段があり、前記
リレーレンズ群は、前記２次光源像と前記表示パネルを
共役関係にするものであること、あるいは、前記光路に
は、前記光源の光源像から複数の２次光源像を分割形成
する光学手段があり、前記リレーレンズ群は、前記２次
光源像と前記表示パネルを共役関係にするものであるこ
とは、好ましい実施の形態である。

【００１４】更に詳述すると、本発明の実施の形態で
は、前記光学手段は、前記光源像から２次光源像を形成
するロッドインテグレーターであり、前記可変制御手段
は、前記インテグレーターの入口側に設けた開口絞り手
段であり、また、前記表示パネルが反射型、特に、液晶
パネルであり、前記表示パネルを３枚使用している。

【００１５】また、上述の本発明の構成において、周囲
の明るさによって、前記可変制御手段が自動的に制御さ
れるような、検出手段および駆動手段が装備されている
ことは、実施の上で重要であり、この際、表示パネルで
のコントラスト値が１０倍以上に変化するように、前記
可変制御手段の制御範囲が設定されていることが有用で
ある。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な構成を説明する
前に、この投射型表示装置における、明るさとコントラ
ストについて説明する。所謂、コントラストは、白表示
の輝度が黒表示の輝度の何倍であるかを示す指標であっ
て、コントラスト値は白輝度／黒輝度で表す。投射表示
装置において、一般には、２桁以上、黒輝度が小さく
（即ち、コントラストは１００以上）、黒の値がコント
ラストを決定している主要因となっている。一方、明る
さは、白輝度について、９点の平均であるANSILumenと
いう単位で表示される。

【００１７】なお、本発明者は、この明るさとコントラ
ストについて、実際の使用時に必要な仕様を、鋭意検討
した結果、特異に投射型表示装置を発明したのであっ
て、単純に明るさを向上すること、もしくは、単純にコ
ントラストを向上することが目的でなされたのではな
い。この点を以下に説明する。

【００１８】図１には、横軸にスクリーン（表示パネ
ル）上の白輝度（即ち、投射型表示装置の白輝度にスク
リーン上のバックグラウンドを加えたもの）、縦軸にコ
ントラストの値の上限値を、それぞれ、各バックグラウ
ンド（即ち、部屋の明るさ）をパラメーターとしたグラ
フである。

【００１９】ここで、バックグラウンドとしての２ルッ
クスは、部屋の電気を完全に消した状態、同じく、９０
ルックスは、スクリーン側の電気のみを消して残りを点
灯した状態、４００ルックスは、全ての蛍光燈を点灯し
た状態である。これから明らかなように、電気を点灯し
た状態では、システムのコントラストが無限大であって
も、実際に観察されるコントラストは、非常に低いこと
が分かる。これは、例えば、Ａ点で示すように、バック
グラウンドが４００ルックスであるため、システムのコ
ントラストが無限大、しかも、１０００ルックスの明る
さがあっても、コントラスト値は１０００＋４００／４
００＝３．５となり、コントラスト値は僅かに、３．５
にしかならないのである。因みに、通常、云われる２０
００ANSILumenの投射型表示装置の場合、８０インチの
拡大投影で、システムの白輝度は、およそ１０００ルッ
クスとなる。

【００２０】図２〜図４において、バックグラウンド
が、それぞれ、２ルックス、９０ルックス、４００ルッ
クスの場合に、スクリーン上の投影を８２インチに拡大
した時の、横軸に明るさ（ANSILumen）、縦軸に投射型
表示装置のコントラスト値をとっていて、その時の感応
評価の結果が示されている。ここで注目する重要部分
は、バックグラウンドを含めたスクリーン上のコントラ
ストの値である。なお、投影表示装置としては、液晶プ
ロジェクターとＯＨＰを用いている。○はプレゼンテー
ションとして見苦しくないと判断した場合、△は少し見
難いという判断基準である。

【００２１】図２から明らかなように、バックグラウン
ドが明るい場合は、明るさが重要であって、システムの
コントラスト値は重要でない。即ち、２０００ANSILume
nの所では、システムのコントラストが４の場合と１０
０以上の場合を比較しても、スクリーン上のコントラス
トは、それぞれ、２．１および３．２であって、大きな
差はなく、判定の上で、許容範囲となった。

【００２２】図３は、一般に、プレゼンテーションで使
用される環境下での値を示しているが、その明るさにも
よるが、システムのコントラストは、精々、１０も有れ
ば十分と言える。ここでは、バックグラウンドと同等
な、システムのバックグラウンドは許容されている（１
０００ANSILumenで、８２インチの拡大投影の場合、白
輝度は５００ルックス、システムのコントラスト値が１
０の時、即ち、システムのバックグラウンドが５０ルッ
クスとすると、コントラスト値は（５００＋９０／（５
０＋９０）＝４．２であり、また、システムのコントラ
スト値１００でも、バックグランドのコントラスト値は
（５００＋９０）／（５＋９０）＝６．２であり、感応
試験では、大きな差が認められない）。

【００２３】一方、図４で示すような、暗い環境下で
は、明るさよりもコントラストが重視される。これは使
用目的にもよるが、バックグラウンドが暗いため、シス
テムとしてコントラストが高いと、画質にそのまま反映
され、非常に見易い。ただし、通常の、会議などにおい
ては、相手の顔が見えないことや、メモ書きもできなく
なり、不適切である。即ち、適切な仕様環境は、きれい
な動画を見せる場合や、ホームシアターのような使い方
の場合である。

【００２４】以上述べてきたように、周囲の明るさ、も
しくは、使い方により、必要な明るさとコントラストは
一致しないことがわかった。即ち、会議のような、明る
い所で、投射型表示装置を使用する場合は明るさを重視
する。ここでは、コントラストをかなり落としても支障
がない。その反面、ホームシアターのような映像を見る
目的で投射型表示装置を使用する場合は、明るさより
も、コントラストが重要である。

【００２５】（第１の実施の形態）図５には、この両者
を満たす性能を持った、本発明の投射型表示装置の構成
例が示されている。なお、図において、従来と同じ構成
要素には同じ番号を使用して、その説明は省略する。

【００２６】本発明では、液晶表示パネル１０に照射す
る光束の内、２１゜に近い角度成分まで、十分に取り込
むような構成にしていて、絶対的な明るさの確保を、ま
ずは優先した。なぜなら、明るさを確保することは、そ
の明るさで、光束を液晶表示パネルに照射することで、
Etendueとして、保存することから、１．３インチのパ
ネル相当の明るさを確保しようとすると、この時の角度
を凡そ８゜として（後述）、１．３×８゜＝０．５×２
０．８゜となり、上述の２１゜の角度の光束まで取り込
むことが必要となるからである。

【００２７】２１゜の光束を取り込むために、１．３イ
ンチパネルの光学系に対して、リレーレンズ系のパワー
を大きくして、θを大きくしてある。従って、焦点距離
は小さくなり、全体のシステムは小さくなる。

【００２８】ここで、コントラストを決めている要因に
ついて述べる。コントラストは、ＰＢＳや表示パネルを
含めた光路上の、全ての部材のコントラストで、総合的
に計算されるものであるが、最も低い値の所で律速する
ものである。一般的にＰＢＳが最も鍵となっている。図
６には、本発明で使用している一般的なＰＢＳ（偏光ビ
ームスプリッター）の透過率の入射角度依存性が示され
ている。

【００２９】即ち、コントラスト１００を保とうとする
と、入射角度としては８゜ぐらいが限度となる（実際に
は、光束の分布は、入射角度が０゜を中心としており、
その積分値で、コントラストが決まるため、コントラス
トは高くなる）。この時、明るさについて、光源に２０
０Ｗの超高圧水銀ランプを用いており、これにより、十
分な明るさである１８００ANSILumenが得られた。一
方、システムのコントラストは８となった。先述したよ
うに、明るい部屋での、通常のプレゼンテーションとし
ては十分な値である。

【００３０】次に、コントラストを上げ、明るさを抑制
する制御手段について述べる。この実施の形態では、明
るいバックグランドに対応して、表示パネル１０での所
要の明るさを確保するためのシステム輝度になる光源
（ランプ）１およびリフレクター２（光源のみでも良い
が）から所要の光路を経て表示パネル１０へ供給される
投射光束の角度範囲を可変に制御することで、その明る
さの減少と共に表示パネルでのコントラスト値を大きく
上昇する可変制御手段である。

【００３１】なお、この実施の形態として、前記可変制
御手段は、光源１およびリフレクター２から所要の光路
へ導出される光束の角度範囲を可変に制御する手段とし
て、前記光路にある光学系の光軸中心を中心として、所
要のアパーチャを形成した遮光板（あるいは、前記アパ
ーチャ領域を透明とし、その領域外を構造的あるいは材
質的に不透明、もしくは、低い透光率で構成した透明
板）などの、開口絞り手段１３（例えば、前記遮光板を
光軸方向に対して平行移動することなどにより、光束の
角度範囲を可変する）で実現している。

【００３２】即ち、リフレクター２の外周部を、アパー
チャーにより自由にカットして、インテグレーター３に
入る角度をθからθ′と小さくすることができ、Etendu
eを小さくするのである。このような構成を用いると、
インテグレーター３の出口の２次光源の角度が小さくな
り（ほぼθ′）、カットした分、明るさは落ちるが、パ
ネル付近の角度成分の大きいものがカットされるため、
コントラスト値は大きく上昇する。例えば、４００ANSI
Lumenにすると、パネルに照射される光束の角度成分
は、最大でも８゜に押さえられ、システムのコントラス
トを２００とすることができ、明るい時のコントラスト
の８と比較すると、２５倍である。

【００３３】このように、本発明ではコントラストの値
に大きな自由度を持たせることで、１つの装置でありな
がら、周囲の環境に合わせたインテリジェントな装置を
実現できる。さらに、前記遮光板のランプ側の面を、全
反射ミラーにしておくと、反射光束が再びリフレクター
に入り、明るさの改善に役立つので、有効である。

【００３４】また、ここでは、アパーチャのある遮光板
を用いて、可変制御手段を実現したが、リフレクター内
部に反射板や吸収板を設けるなど、光源およびリフレク
ターから所要の光路へ導出される光束の角度範囲を、前
記リフレクターの反射経路もしくは反射率の可変制御で
実現することも、本発明の実施の形態として有効であ
る。

【００３５】なお、本発明に用いた表示パネルは比較的
小さいため、開口率の大きく取れる反射型のＴＮ液晶を
用いたが、反射型や液晶の種類について、特に、限定さ
れないことは勿論である。例えば、開口率が小さくなる
が、透過型の構成を用いても良いし、また、ＶＡ液晶や
その他の液晶を用いても、基本的な考え方に差がないこ
とは言うまでもない。

【００３６】（第２の実施の形態）本発明に係わる第２
の実施の形態を、図７を参照して、具体的に説明する。
なお、先述の本発明の構成と同一の構成は、同じ符号を
付して、その説明を省略する。ここでは、アパーチャの
ある遮光板などの可変制御手段１７が、表示パネルへ光
束を投射する投射レンズ１１の入口側に設けられて、そ
の開口を規制し、投射光束の角度範囲を可変に制御する
手段である。図７において、パネル１６には、ＤＭＤ
（Digital Micromirror Device）を用いており、単板の
構成である。また、符号１４は回転カラーフィルター
で、ここでは、時分割的に色を分離している。また、符
号１５は凹ミラーである。ＤＭＤについては、例えば、
１９９５年の、Part of SPIE'sThematic Applied Scien
ceand Engineering Seriesにおいて、Larry J.Hornbeck
nにより、詳細に説明されているので、ここでは詳細な
説明を省略する。

【００３７】基本的には、ＤＭＤパネルのミラーが動
き、角度を変えることで、投影レンズに光を入れるか、
入れないかで、映像を作り出すのである。この時、やは
り、ＤＭＤパネルに入射する光束の角度がバラ付いてい
ると、コントラストを低下させるため、ある角度以内の
光束のみを使用するように制限される。なお、ＤＭＤパ
ネルのミラーの角度は、オン状態とオフ状態で±１０゜
であり、従って、一般的には、パネルに入射する光束は
中心光束から１０゜以内になるように投影レンズの径が
決定される。

【００３８】しかし、本発明では、更に大きな角度も取
り込めるように設計し、大きな開口の投影レンズを採
用、ランプから表示パネルまでの光学設計も、２５゜ま
での角度を取り込むように設計する。更に、投影レンズ
の入口側開口に、先述のようなアパーチャを有する遮光
板１７などの、開口絞り手段を設け、絞りを可変とする
ことで、コントラスト重視の時は、アパーチャを絞り、
明るさ優先の時は、アパーチャを大きく開放し、多くの
光束を取り込むようにしている。

【００３９】その結果、０．８５インチで単板形式で、
１２００ANSILumen、コントラストが２０のシステムか
ら、６００ANSILumen、コントラストが３００のシステ
ムを、１つの投射型表示装置において実現できた。この
ように、本発明では、コントラスト値に大きな自由度を
持たせることで（この実施の形態では、コントラスト値
が１５倍も異なる仕様である）、１つの装置でありなが
ら、周囲の環境（バックグランドの明るさ）に合わせた
インテリジェントな装置を実現できる。

【００４０】なお、上述のように、ＤＭＤのようなパネ
ルは、必ずしも、光束の中心軸がパネルに対して垂直に
入射するような設計にはなっていない。しかし、本発明
では本質的に、パネルに入射する光束の角度範囲を制御
することによって、投射表示に有効に実現させることが
できる。これは、液晶パネルにおいても同様で、光束の
中心がパネルに垂直になるように設計するのが一般的で
はあるが、本発明の本質は、パネルに入射する光束の角
度範囲を制御するという意味で、何ら差異をもたらすも
のではない。

【００４１】（第３の実施の形態）本発明に係わる第３
の実施の形態について、図８を参照して、具体的に説明
する。上述の投射型表示装置おいて、光路には、色分解
光学系があり、可変制御手段は、前記光路にある１枚以
上のレンズからなるリレーレンズ群から表示パネルまで
の距離、および、前記リレーレンズ群から光源までの距
離の少なくとも一方を可変制御するように構成され（こ
の実施の形態では、両方を制御する）、その光源がフラ
イアレイレンズ１８からの２次光源である。

【００４２】光源１から出た光は、放物線リフレクター
により平行光となり、まず、第１のフライアイレンズ１
８−１に入射する。ここでのフライアイレンズは、矩形
のマトリクス状に分割され、各矩形レンズは、対応する
第２のフライアイレンズ１８−２に光源の像を形成す
る。第１のフライアイレンズは、第２のフライアイレン
ズと、リレーレンズを介して表示パネルと共役の関係に
有り、第１のフライアイレンズでの光源像を、表示パネ
ルに重畳し、結像することで、光源のむらを無くし、均
一に照明するものである。

【００４３】なお、図８においては、簡略化のために、
色分解系を符号２０、色合成系を符号２１で総括して表
わしている。従って、パネルは透過型、反射型の如何に
よらず、この構成の形態を採ることができる。また、図
８の、符号１９で示すものは第２のフライアイレンズ１
８−２と１つ以上のリレーレンズで構成するリレーレン
ズ群１９１との主点であり（ここでは、前側主点と後側
主点が一致している例で示しているが、これに限定され
ないのは、言うまでもない）、該主点１９と液晶パネル
１０までの距離をａ、主点１９とフライアイ１８−１の
出口の２次光源までの距離をｂとすると、リレーレンズ
群の焦点距離ｆは、液晶パネルと２次光源が共役関係に
ある場合、１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂで表せる。

【００４４】なお、液晶パネルに照射される角度θは、
前記リレーレンズの口径をＬとすると、ｔａｎ^-1（Ｌ／
２ａ）である。２次光源の大きさをＢ、共役関係にある
パネルでの大きさをＡとすると、拡大率ＭはＡ／Ｂであ
り、また、ａ／ｂでもある。この実施の形態では、ａ＝
１１７ｍｍ、ｂ＝４１ｍｍで、約１２゜までの光束を液
晶パネルに照射するように、基本設計を行っている。ま
た、拡大率は２．９倍である。レンズ径は、およそ５０
ｍｍであり、８×１０に分割したフライアイの１つの口
径は、およそ６．３ｍｍ×４．７ｍｍであり、フライア
イ１８−１の出口の２．９倍の大きさの表示パネルに照
明した。

【００４５】この実施の形態では、表示パネルは０．９
インチの反射型液晶パネルであり、１８．３ｍｍ×１
３．７ｍｍの領域である。この時、１００Ｗの高圧水銀
ランプを光源として用い、１２００ANSILumenで、コン
トラストが４のシステムを実現した。さらに、本発明で
は、液晶パネルとリレーレンズを連動して動かし、ａと
ｂの距離を代えることができる。例えば、ａ＝１６８ｍ
ｍ、ｂ＝３７ｍｍとして、θを８．４゜とすると、明る
さを５００ANSILumenに抑えるが、一方、コントラスト
を２００以上、確保することができた。このような、フ
レキシブルなシステムを１つの投射型表示装置で実現で
きるのである。

【００４６】なお、ここでは、リレーレンズとの距離を
双方とも変更したが、例えば、リレーレンズ群としてレ
ンズを形成し、そのパワー（焦点距離）を変えて、即
ち、ｆを変え、パネルの方のみの光学系である片側の距
離だけを変えることにより、可変制御しても良い。焦点
距離の変更には、レンズ群を纏めて交換しても良いし、
部分的にレンズを交換しても構わない。

【００４７】（第４の実施の形態）この実施の形態で
は、装置の光路には、色分解光学系および１枚以上のレ
ンズからなるリレーレンズ群があり、可変制御手段は、
そのリレーレンズ群の構成を制御して、明るさ及びコン
トラストを可変に制御することが有効である。特に、前
記可変制御手段は、前記リレーレンズ群の開口を規制
し、投射光束の角度範囲を可変に制御する手段である。
そして、前記光路には、光源の光源像から２次光源像を
形成する光学手段があり、前記リレーレンズ群は、前記
２次光源像と前記表示パネルを共役関係にするものであ
る。

【００４８】次に、その具体的構成を、図９を参照して
説明する。この実施の形態は、明るさの点では効率は悪
いが、構造上、比較的容易に構成できるものである。図
９において、パネルから見える角度は、ダイクロイック
ミラーに入る前の、リレーレンズ６の出口で開口角であ
り、この部分にアパーチャを有する開口絞り手段２２を
設けていて、この開口を絞ることにより、パネルに入射
される実質的な角度を小さくする。ただし、この部分で
開口を絞ると、角度がついていない利用できる光の一部
も捨ててしまうことになり、他の方法と比べると、効率
は若干、低下する。

【００４９】表示パネルに１．３インチの液晶パネルを
用いて、第１の実施の形態と同じように、所要の角度成
分を取り入れ、１８００ANSILumenが達成できる系にお
いて、単純にリレーレンズ径を５０ｍｍから連続的に２
０ｍｍまで変えた時の、明るさとコントラストとは以下
の通りである。リレーレンズ径を２０ｍｍまですると、
角度は８．２゜までに抑えられ、コントラストが３００
まで上昇する。一方、明るさはカットされる分で暗くな
るが、３００ANSILumenとなり、スクリーンが６０イン
チクラスでのシアターにおける投射型表示装置としての
能力は、十分であった。

【００５０】なお、この実例を含めて、本発明の上述の
実施の形態では、液晶パネルと２次光源像を共役にして
おり、明るさの効率を重視しているが、システムの大き
さを重視する場合や、表示画面内のむらの回避に重視を
置く立場では、必ずしも共役関係を守らなくても、本発
明の本質に影響を与えない。

【００５１】（第５の実施の形態）本発明の第５の実施
の形態は、上述の実施の形態での、角度成分を制御する
例を示す。これを、図１０を参照して、説明する。ここ
では、可変制御手段としてロッドインテグレーター３の
入口側に開口絞り手段２３を用いて、光源サイズのバラ
付きによる角度成分が大きくなる要因を抑制している。

【００５２】一般に、光源１は点光源でないため、楕円
リフレクター２を用いても、一点には収束せずに、ある
角度φの成分を持つ。これが点光源の場合の角度に比べ
て、その角度成分が大きくなる要因であり、インテグレ
ーター３の開口を広げることは、φのバラ付きに起因す
る成分を拾うことで、明るさをアップさせる効果を持
つ。また、一方では、インテグレーター３の出口側の開
口での２次光源での角度を大きくする要因にもなり、実
質的にパネルに照射される光束の角度を大きくししまう
ので、コントラストを低下させる。ここでは、２次光源
の大きさはインテグレーター３の出口側の開口だけで決
まるので、このシステムでは関係はない。

【００５３】さらに、偏光変換系を通った後のランプ光
源と共役関係にある、図１０の、符号２４で示す部分
は、ランプ光源１が複数像を結ぶ所である。この部分
も、点光源ならば点の像になるが、実際には点光源でな
いため、広がりを持つ。従って、この１つ１つに開口を
持たせ、その開口を制御することにより、光源を点光源
に近づけることが可能で、パネルに照射される光束の角
度を、若干ながら制御することができる。

【００５４】このように、この実施の形態では、第１〜
４の実施の形態例と比較すると、得られる効果は若干弱
いが、実施の上では、重要な観点であり、単独で行うと
いうより、複合させて、制御することで、大きな効果を
生むことが期待できる。そこで、投射型表示装置の光路
に、光源１の光源像から複数の２次光源像を分割形成す
る光学手段を設け、リレーレンズ群は、２次光源像と表
示パネルを共役関係にする構成にするのが良い。

【００５５】なお、このように複合で使用することは、
この実施の形態に限らず、第１〜５までの実施の形態の
事例を複合させれば、効果はより大きくなることは、言
うまでもないが、その分、制御が複雑になるため、価格
が高くなる。従って、このような複合の設計では、パネ
ルの構造、光学系の構造を含め、そのシステムとして必
要な部分のみを複合させ、使用することが好ましい。

【００５６】（第６の実施の形態）上述の本発明の構成
において、周囲の明るさによって、可変制御手段が自動
的に制御されるような、検出手段および駆動手段が装備
されていることは、実施の上で重要であり、この際、表
示パネルでのコントラスト値が１０倍以上に変化するよ
うに、前記可変制御手段の制御範囲が設定されているこ
とが有用である。

【００５７】そこで、この実施の形態では、上記の実施
の形態を自動制御する方法について述べる。第１の実施
の形態で示したように、明るさ重視で、コントラストの
重要性が少ない系は、一般的に、周囲が明るい環境の時
であり、一方、コントラスト重視で、明るさをさほど必
要としない系は、ホームシアターなどの用途で、できれ
ば、暗い環境での鑑賞となる。従って、周囲の明るさに
合わせて、投射型表示装置自身が、明るさとコントラス
トとを、自動的に変える構成にすると、人がその時々
に、わざわざ、手動で設定しなくても良いという点で、
大きなメリットがある。表１には、第１の実施の形態で
の、実験結果から導き出した周囲の明るさに対する、所
望の明るさ及び許容コントラストが示されている（この
例は８０インチに拡大投影した場合）。

【００５８】

【表１】例えば、周辺明るさが２ルックスの時は、明るさは３０
０ANSILumen程度になるような系に自動的に変化し、周
囲の環境が４００ルックスもあるような時は、明るさ重
視で、例えば、１８００ANSILumenで、コントラストを
落とす系にする。この自動制御の構成を、図１１のブロ
ック図で示す。ここで、符号２１は照度を観測するセン
サー部。２２は周囲の明るさと所望の系を対応させる対
応表を持つメモリー部。２３はそのセンサーの値から、
対応させる系を実現させる制御部、また、２４はそれを
実行する機構部である。

【００５９】例えば、第１の実施の形態での、リフレク
ター前の開口制御を、メカ的に周囲の環境明るさと連動
させるとすると、このような機構で、投影装置の環境に
よって、装置が判断して、所望の明るさ、コントラスト
に設定させるというインテリジェントな投影装置が実現
できる。

【００６０】実際のシステムについては、図１３の
（ａ）で説明する。この図では、投射型表示装置本体２
９に周囲の明るさを測定するセンサー３０を設け、部屋
の明るさをモニターしている。照度センサー３０は、光
を電流や電圧に変換して出力するタイプで、一般的なフ
ォトダイオードを用いた。フォトダイオードタイプの照
度センサーは、光量と出力電流が比例するため、それを
電圧に変換し、その信号を制御部に伝えるのである。制
御部では、対応表から、その信号に対応する開口部を制
御する信号を読み出し、その機構部（ここでは、リフレ
クター前の開口シャッター）を所望の位置に設定する。

【００６１】なお、ここでは、１つの機構的な動きを制
御したが、他の実施の形態で、機構部を動かしたり、も
しくは、それを複合的に制御することも可能である。一
方、スクリーン上で、明るさをセンシングすると、実際
に見る位置での明るさをセンシングできるために、より
効果的である。この時は、スクリーンの反射をモニター
して、それに対応する開口に可変制御する。この場合
は、図１３の（ｂ）のように、投射型表示装置の前面
に、そのセンサー部を設置すると良いが、特に、この形
態に限定されない。一方、対応表は初期設定は有るもの
の、自分の好みに応じて設定変更できる機構が付加され
ていることが好ましく、使う環境に合せて、また、個人
の好みで自由に設定できることが好ましい。更に、その
対応表が複数あって、その時々で自由に選択できるよう
な機構になっていると良く、更に、自動設定の解除機構
を使用して、手動（マニュアル）で、設定することがで
きるようになっているのも、場合によって、必要であ
る。

【００６２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、主
に、パネルに入射する光束の角度範囲を制御することに
よって、明るさ及びコントラストを大きく変える構成と
し、周囲の明るさに合わせた、見易い投射型表示装置を
提供できる。更に、小さいパネルで、明るい投射型表示
装置が実現できるため、低価格で、かつ、装置本体も小
さい投射型表示装置を提供することができる。

【００６３】また、本発明の投射型表示装置では、少な
くともパネルとリフレクターを有するランプなどの光源
を持った投射型表示装置において、リフレクターの反射
経路もしくは反射率などを制御して、明るさ及びコント
ラストを可変とすることにより、明るさ及びコントラス
トを大きく変える構成とし、周囲の明るさに合わせた見
易い投射型表示装置を提供できる。

【００６４】また、本発明の投射型表示装置では、少な
くともパネルと投射レンズを持った投射型表示装置にお
いて、投射レンズの入り口側の開口を制御して、明るさ
及びコントラストを可変とすることにより、明るさ及び
コントラストを大きく変える構成とし、周囲の明るさに
合わせた見易い投射型表示装置を提供できる。

【００６５】また、本発明の投射型表示装置では、パネ
ルと色分解光学系及びリフレクターを有するランプなど
の光源を持った投射型表示装置において、光源と液晶パ
ネルの間にある１枚以上のリレーレンズ群を有し、前記
リレーレンズ群からパネルまでの距離及び前記リレーレ
ンズから光源との距離の、少なくとも一方を可変制御し
て、もしくは、前記リレーレンズの開口を制御して、明
るさ及びコントラストを可変とすることにより、明るさ
及びコントラストを大きく変えることができる構成とす
ることで、周囲の明るさに合わせた見易い投射型表示装
置を提供できる。

【００６６】また、本発明の投射型表示装置では、パネ
ルと色分解光学系及びランプなどの光源を持った投射型
表示装置において、光源像から２次光源像を形成するイ
ンテグレーターを有し、インテグレーターの入口側の開
口を可変制御して、明るさ及びコントラストを可変とす
ることにより、明るさ及びコントラストを大きく変える
構成とし、周囲の明るさに合わせた見易い投射型表示装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明するためのグラフで
ある。

【図２】同じく、本発明の実施の形態を説明するための
グラフである。

【図３】同じく、本発明の実施の形態を説明するための
グラフである。

【図４】同じく、本発明の実施の形態を説明するための
グラフである。

【図５】本発明に係わる第１の実施の形態を示す投影型
表示装置の概略説明図である。

【図６】同じく、そこでのＰＢＳの透過率を表わす図で
ある。

【図７】本発明に係わる第２の実施の形態を示す投影型
表示装置の概略説明図である。

【図８】本発明に係わる第３の実施の形態を示す投影型
表示装置の概略説明図である。

【図９】本発明に係わる第４の実施の形態を示す投影型
表示装置の概略説明図である。

【図１０】本発明に係わる第５の実施の形態を示す投影
型表示装置の概略説明図である。

【図１１】本発明に係わる自動制御のための構成を示す
ブロック図である。

【図１２】本発明との対比のための従来例を説明する図
である。

【図１３】本発明の図１１についての投影型表示装置の
概略斜視図である。

【符号の説明】１ランプ（光源）２リフレクター３ロッドインテグレーター４，６，１９レンズ５偏光変換系７ダイクロイックミラー８ＰＢＳ９クロスプリズム１０液晶パネル１１投影レンズ１２全反射ミラー１３，１７，２２，２３，２４アパーチャのある遮光
板１４回転フィルター１５凹ミラー１６ＤＭＤパネル１８フライアイレンズ２０色分解系２１色合成系２５照度センサー２６対応表を持つメモリー部２７制御部２８機構部２９投射型表示装置３０照度センサー

フロントページの続きＦターム(参考） 2H088 EA14 EA15 EA16 EA18 EA19 GA02 HA13 HA20 HA22 HA24 HA28 JA05 MA04 MA06 2H091 FA10Z FA14Z FA21X FA26Z FA41Z FB07 FC14 FD06 FD12 FD22 FD24 HA07 LA03 LA09 LA18 MA07 5C058 AA06 AA18 BA08 EA02 EA11 EA12 EA13 EA42 5C060 BA03 BB01 BC05 BE05 BE10 GA01 HC01 HC14 HC20 HC22 HD05 JA17 JB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】明るいバックグランドに対応して、表示
パネルでの所要の明るさを確保するためのシステム輝度
になる光源、あるいは、該光源およびリフレクターから
所要の光路を経て前記表示パネルへ供給される投射光束
の角度範囲を可変に制御することで、その明るさの減少
と共に表示パネルでのコントラスト値を大きく上昇する
手段を装備していることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】前記可変制御手段は、前記光源、あるい
は、該光源およびリフレクターから所要の光路へ導出さ
れる光束の角度範囲を可変に制御する手段であることを
特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
【請求項３】前記可変制御手段は、前記光源およびリ
フレクターから所要の光路へ導出される光束の角度範囲
を、開口絞り手段で実現したことを特徴とする請求項２
に記載の投射型表示装置。
【請求項４】前記可変制御手段は、前記光源およびリ
フレクターから所要の光路へ導出される光束の角度範囲
を、前記リフレクターの反射経路もしくは反射率の可変
制御で実現することを特徴とする請求項２に記載の投射
型表示装置。
【請求項５】前記可変制御手段は、前記表示パネルへ
光束を投射する投射レンズの入口側に設けられて、その
開口を規制し、投射光束の角度範囲を可変に制御する手
段であることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示
装置。
【請求項６】前記光路には、色分解光学系があり、前
記可変制御手段は、前記光路にある１枚以上のレンズか
らなるリレーレンズ群から前記表示パネルまでの距離、
および、前記リレーレンズ群から光源までの距離の、少
なくとも一方を可変制御するように構成されている請求
項１に記載の投射型表示装置。
【請求項７】前記光源は、２次光源であることを特徴
とする請求項６に記載の投射型表示装置。
【請求項８】前記光路には、色分解光学系および１枚
以上のレンズからなるリレーレンズ群があり、前記可変
制御手段は、そのリレーレンズ群の構成を制御して、明
るさ及びコントラストを可変に制御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。
【請求項９】前記可変制御手段は、前記リレーレンズ
群の開口を規制し、投射光束の角度範囲を可変に制御す
る手段であることを特徴とする請求項１に記載の投射型
表示装置。
【請求項１０】前記光路には、前記光源の光源像から
２次光源像を形成する光学手段があり、前記リレーレン
ズ群は、前記２次光源像と前記表示パネルを共役関係に
するものであることを特徴とする請求項６、８あるいは
９の何れか１項に記載の投射型表示装置。
【請求項１１】前記光路には、前記光源の光源像から
複数の２次光源像を分割形成する光学手段があり、前記
可変制御手段は、前記複数の２次光源像の開口を制御し
て、投射光束の角度範囲を可変に制御する手段であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
【請求項１２】前記光学手段は、前記光源像から２次
光源像を形成するロッドインテグレーターであり、前記
可変制御手段は、前記インテグレーターの入口側に設け
た開口絞り手段であることを特徴とする請求項１に記載
の投射型表示装置。
【請求項１３】前記表示パネルが反射型であることを
特徴とする請求項１ないし１２の何れか１項に記載の投
射型表示装置。
【請求項１４】前記表示パネルが、液晶パネルである
ことを特徴とする請求項１３に記載の投射型表示装置。
【請求項１５】前記表示パネルを３枚使用することを
特徴とする請求項１ないし１４の何れか１項に記載の投
射型表示装置。
【請求項１６】周囲の明るさによって、前記可変制御
手段が自動的に制御されるような、検出手段および駆動
手段が装備されていることを特徴とする請求項１ないし
１５の何れか１項に記載の投射型表示装置。
【請求項１７】コントラスト値が１０倍以上に変化す
るように、前記可変制御手段の制御範囲が設定されてい
ることを特徴とする請求項１ないし１６の何れか１項に
記載の投射型表示装置。