JP2007199432A - 光学ユニット及びこれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高輝度化と高コントラスト化を両立すると共に、装置を小型化した可能な光学ユニット及びそれを用いた投射型表示装置を提供することである。
【解決手段】
光源からの出射光の光量を遮光し調節する可変絞りを、光源からの光を複数の光束に分割する第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイによって形成された複数の２次光源像を被照明領域において重ね合わせるための第２のレンズアレイとの間に配置し、更に、その可変絞りの表面には、遮光した光を反射させる曲面形状の面を有するように構成する。
【選択図】図３（ａ）

Description

本発明は、光源からの光を映像信号に応じて光強度変調して光学像を形成する映像表示素子と、該光学像を拡大して投射する投射レンズとを有する光学ユニット及びこれを用いた投射型表示装置に関する。

下記特許文献１には、反射ミラーで構成された可変絞りを第１のアレイレンズより光源側に配置した構成が開示されている。そして、該可変絞りによって遮られた光束は反射して光源側に戻り、この戻り光束が、放物リフレクタの作用によって、再度反射して出射されるため、本来可変絞りよって捨てられる光束を有効に利用可能な技術が開示されている。

特開２００４−１５１６７４号公報

特許文献１の反射ミラーで形成された可変絞りは、可変絞りを光源と第１のレンズアレイとの間に設置しなければ高輝度化を達成することが不可能であって、可変絞り自体の設置空間およびその可動範囲の空間を新たに確保する必要があり、装置の大型化が問題となる。

本発明は、上記した従来の技術状況に鑑みてなされたもので、その目的は、高輝度化と高コントラスト化を両立すると共に、装置を小型化した光学ユニットおよびそれを用いた投射型表示装置を提供することである。

本発明の一面は、光源からの出射光の光量を遮光し調節する可変絞りを、光源からの光を複数の光束に分割する第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイによって形成された複数の２次光源像を被照明領域において重ね合わせるための第２のレンズアレイとの間に配置し、さらに、その可変絞りの表面には、遮光した光を反射させる曲面形状の面を有し、反射した光を光源へ戻し、再び光源のリフレクタによって光を再利用することを特徴とする。

本発明によれば、光源からの出射光の光量を遮光し調節する可変絞りを、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た場合に、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイ間の空間が十分空いているため、その空間を利用して可変絞りを配置可能であるため、投射型表示装置を小型化することが可能となる。

図１は、実施例１を示す投射型表示装置を示す図である。同図で、一点鎖線で囲まれた部分が、光源からの光を映像表示素子で映像信号に応じて光強度変調して光学像を形成し、該光学像を投射レンズで拡大して投射する光学ユニットで、投射型表示装置は、該光学ユニットを図示しない回路基板とともに図示しない筐体に収納したものである。

図１において、光源２０より出射した光は、第１のレンズアレイ３１と第２のレンズアレイ３２とからなる光源２０からの光を均一化するレンズアレイ群３０に入射する。レンズアレイ群３０の第１のレンズアレイ３１はマトリックス状に複数のレンズセルが配列されており、入射した光を複数の光に分割して、効率よく第２のレンズアレイ３２、偏光変換素子４０を通過させるように導く。第２のレンズアレイ３２は、第１のレンズアレイ３１と同様にマトリックス状に複数のレンズセルが配列されており、該レンズセルそれぞれが、対応する第１のレンズアレイ３１の各レンズセルの投影像を集光レンズ５０、およびコンデンサレンズ１１０Ｒ、１１０Ｇ、第１のリレーレンズ８０、第２のリレーレンズ８１、コンデンサレンズ１１０Ｂにより、各映像表示素子（例えば、透過型の液晶パネル）１４０Ｒ、１４０Ｇ、１４０Ｂ上に重ね合わせる。このようにして、レンズアレイ群３０は映像表示素子への照射光の均一化を行う。このとき、第２のレンズアレイ３２を出射した光は、偏光変換素子４０により所定方向の偏光（ここでは、Ｓ偏光）に揃えられ、後述する色分離部にて色分離され、各色対応の映像表示素子１４０Ｒ、１４０Ｇ、１４０Ｂに照射される。

次に色分離部の説明をする。集光レンズ５０を出射した光は、第１のダイクロイックミラー６０で、例えば、赤色光の成分（Ｒ光）は反射し、反射ミラー７０を経て、映像表示素子１４０Ｒに入射する。第１のダイクロイックミラー６０を透過した緑青色光の成分（ＧＢ光）は、第２のダイクロイックミラー６１に入射し、例えば、緑色光の成分（Ｇ光）は、第２のダイクロイックミラー６１で反射し、映像表示素子１４０Ｇに入射する。該第２のダイクロイックミラー６１を透過した青色光の成分（Ｂ光）は反射ミラー７１、７２とリレーレンズ８０、８１を経て、映像表示素子１４０Ｂに入射する。図１に示すようにＢ光の光路は、Ｒ光、Ｇ光の光路に対して長いため、リレーレンズ８０、８１により、効率良く映像表示素子１４０ＢにＢ光が照射されるようにしている。

Ｇ光用の映像表示素子１４０Ｇの入射側には、入射側偏光板１２０Ｇが配置され、偏光変換素子４０にてＳ偏光にそろえられなかったＰ偏光成分を除去している。映像表示素子１４０Ｇは、素子駆動回路２３０により、Ｇ映像信号（図示せず）に応じて映像表示素子１４０Ｇの各画素に対応する透明電極に印加する電圧を制御することで、偏光の捩れ量を変化させている。映像表示素子１４０Ｇの出射側には出射側偏光板１３０Ｇが配置されており、入射側偏光板１２０Ｇとは偏光方向を９０°異ならせている。このため、各画素において偏光の捩れ量が変化しＰ偏光となったもののみ、出射側偏光板１３０Ｇを透過することが可能となる。このように、各画素に濃淡（偏光の捩れ量）を変える光強度変調をおこなうことで光学像を形成する。この結果、得られた映像表示素子１４０Ｇ上の光学像は、色合成ダイクロイックプリズム１５０を透過し、投射レンズ１６０によってスクリーン１７０上へと投射され、大画面映像を得ることができる。

映像表示素子１４０Ｒ、１４０Ｂ側も映像表示素子１４０Ｇ側と同様に形成されている。しかし、映像表示素子１４０Ｒ、１４０Ｂにおいては、透過した光が投射レンズ１６０によって投射されるためには、色合成ダイクロイックプリズム１５０内のプリズム面にて反射する必要がある。この場合、Ｓ偏光の方が効率が良いため、入射側偏光板１２０Ｒ、１２０Ｂの入射側にλ／２板１１５Ｒ、１１５Ｂを配置し、Ｓ偏光をＰ偏光に変換している。すなわち、入射側偏光板１２０Ｒ、１２０Ｂにおいては、Ｓ偏光成分を除去するよう作用し、映像表示素子１４０Ｒ、１４０Ｂの各画素にて偏光が捩れＳ偏光となったもののみ、出射側偏光板１３０Ｒ、１３０Ｂを透過し、その光は色合成ダイクロイックプリズム１５０内のプリズム面にて反射し、投射レンズ１６０によってスクリーン１７０上に投射される。

また、Ｒ光路には赤外線をカットするＩＲカットフィルタ９０、Ｂ光路には紫外線をカットするＵＶカットフィルタ１００が配置されている。

第１のレンズアレイ３１と第２のレンズアレイ３２との間には、可変絞り１０が配置されている。該可変絞り１０は電動回転駆動部１８０により回転可能で、その回転は、視聴環境に応じた映像モードに対応し、回転駆動回路２１０によって電動回転駆動部１８０を介して制御されている。また、該可変絞り１０は、光源２０からの出射光の該可変絞り１０への入射角度が９０度となるように形成された反射ミラー１１を有している。

図３（ａ）は、可変絞り１０で反射した光の再利用を示した図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）において点線で囲まれた可変絞り周辺の拡大図である。図３（ｂ）に示すように、可変絞り１０は、第１のレンズアレイからの光である入射光１２を、該第１のレンズアレイからの光の方向と略同じ方向に反射するように形成された反射ミラー１１を有する。本実施例で使用される反射ミラー１１の形状は、曲面形状であって、曲面の接線１４に対して光が垂直に反射する形状である。該曲面は、円形状、楕円面形状、放物面形状等で形成されてもよい。そのため、反射ミラー１１で反射した反射光１３を光源２０へ戻すことが可能となる。そして、この反射光１３は、再び光源ランプのリフレクタ２１で反射され、再び第１のレンズアレイ３１へと入射するため、光を再利用することが可能となる。尚、実施例１で使用されているリフレクタ２１は、放物面形状で形成されているものであるが、楕円面形状で形成されてもよいことは言うまでもない。

ここで、図５に可変絞り１０を動作させた場合（図５（ａ））と、動作させない場合（図５（ｂ））を示す。図５に示すように、該可変絞り１０を動作させた場合は、可変絞り１０を動作させない場合に対し、映像表示素子１４０への入射角度１４０ａが小さくなり、コントラストが向上する。理由としては、図２に示す一般的な映像表示素子１４０への入射角度に対するコントラストの視野角特性の一例から分かるように、映像表示素子の入射角特性によるものである。

さらに、図４に示すように、可変絞り１０は第１のレンズアレイ３１のマトリックス状に配列した各レンズセルに対応してセル配列している。これによって、可変絞り１０の各セルの全部を動作、あるいは一部を動作させることが可能となり、図２に示すようなコントラストの高い中央領域だけに光を入射したい場合は、それに対応した可変絞りの各セルを動作させれば、高いコントラストが得られる。また、可変絞りに形成した反射ミラー１１によって、光が再利用できるため、明るさを落とさずに、コントラストを向上させることが可能となる。従来トレードオフの関係であった高輝度化と高コントラスト化の両立が可能となる。

ここで、可変絞り１０の動作制御に関して説明する。電動回転駆動部１８０は、回転駆動回路２１０により駆動され、この動作は映像調整部２２０により制御される。映像調整部２２０は、映像モードに応じて、回転駆動回路２１０、電動回転駆動部１８０から第１のレンズアレイ３１に対応した可変絞り１０の各セルを動作させ、映像表示素子１４０への入射角度を可変する。

図１に戻って、メモリ３１０は、上記したそれぞれの視聴環境に応じた映像モード（例えばリビングモードやシアターモード）にそれぞれ対応した可変絞り１０の各セルの動作状態を格納しておくメモリである。メモリ３１０には、可変絞り１０の各セルの動作状態とともに、図示しない信号処理部で視聴環境に応じて用いられるγ特性を対応させて記憶させてもよい。

入力部３００は映像モードの選択を映像調整部２２０に指示するもので、映像調整部２２０は、入力部３００で選択された、視聴環境に応じた映像モードに従って、メモリ３１０から、対応する可変絞り１０の各セルの動作状態、γ特性を読み出し、回転駆動回路２１０、電動回転駆動部１８０から可変絞り１０の各セルの動作を制御すると共に、図示しない信号処理部に対応するγ特性を設定する。このように、様々な視聴環境に応じた複数の可変絞り１０の動作状態、γ特性を、それぞれの映像モードに対応させて予めメモリ３１０に設定しておけば、映像調整部２２０を通じてなされる入力部３００による映像モードの選択だけで、視聴環境に最適なコントラストを有する明るい投射映像が得られる。

もちろん、視聴者がそれぞれの視聴環境に応じた最適な可変絞りセル１０の状態を映像調整部２２０でメモリ３１０にそれぞれの視聴環境に対応させてメモリできるようにして、入力部３００で所望の視聴環境（映像モード）を選択すれば、容易に該所望の可変絞りセル１０の動作状態を再現できるようにしても良い。

上記では、映像モードを視聴環境に対応させている。しかし、視聴する映像ソフトにも様々なジャンルがあり、ジャンルで映像の特性が異なる。従って、視聴環境とともに、ジャンルにも対応させて映像特性を選択できるようにするのが好ましい。すなわち、例えばテレビモード、スポーツモード、ミュージックモードといった映像モードも設ける方が好ましい。このようにすれば、視聴環境や映像ジャンルに対応した映像モードを有する投射型表示装置を一台で実現可能となる。

図６に可変絞り１０の作用による、映像表示素子１４０への入射角度θに対する、明るさとコントラストの関係を示す。同図において、実線は可変絞り１０の動作が有る場合による明るさとコントラストの関係を、点線は可変絞り１０の動作が無い場合の明るさとコントラストの関係を表す実験データである。同図の実線で示した曲線２５０、２６０、２７０、２８０が示すように、可変絞り１０の動作によって、映像表示素子１４０への光線入射角度θが小さくなると、可変絞り１０を動作させない時の曲線２７０、２８０と比較し、明るさをほとんど落とさずにコントラストを向上させることが可能となる。

以上から、リビング等の明室空間や専用ルーム等の暗室空間において、その視聴環境に応じた映像調整を視聴者が選択的におこなう場合、入力部３００によって視聴環境に応じた映像モード（例えば、シアターモードやリビングモード）を選択すれば、回転駆動回路２１０および電動回転駆動部１８０によって、可変絞り１０が回転し、映像表示素子１４０に入射する光の入射角度を変化させることで、選択した映像モードに最適なコントラストを有する明るい投射映像を得ることが可能となる。また、可変絞り１０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ているため、高輝度化と高コントラスト化を両立すると共に、装置の小型化が可能となる。

尚、実施例１では映像表示素子として透過型の液晶パネルを適用した場合について説明したが、反射型の液晶パネル、ＤＭＤパネル等の映像表示素子を用いた場合にも適用可能であることは言うまでもない。

実施例１の投射型表示装置を示す図。 映像表示素子におけるコントラストの視野角特性を示す図。 実施例１の可変絞りの動作を示す図。 図３（ａ）において点線で囲まれた可変絞り周辺の拡大図。 実施例１の可変絞りのレンズアレイに対する配置を示す図。 可変絞りによる映像表示素子への入射角度を示す概略図。 可変絞りの動作有無に対する明るさとコントラストの変化を示す図。

符号の説明

１…光学ユニット、１０…可変絞り、１１…反射ミラー、１２…入射光、１３…反射光、１４…接線、２０…光源、２１…リフレクタ、３０…レンズアレイ群、３１…第１のレンズアレイ、３２…第２のレンズアレイ、４０…偏光変換素子、５０…集光レンズ、６０…第１のダイクロイックミラー、６１…第２のダイクロイックミラー、７０，７１，７２…反射ミラー、８０…第１のリレーレンズ、８１…第２のリレーレンズ、９０…ＩＲカットフィルタ、１００…ＵＶカットフィルタ、１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂ…コンデンサレンズ、１１５Ｒ，１１５Ｂ…λ/２板、１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂ…入射側偏光板、１３０Ｒ，１３０Ｇ，１３０Ｂ…出射側偏光板、１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ…映像表示素子、１４０ａ，１４０ｂ…映像表示素子への入射角度、１５０…色合成ダイクロイックプリズム、１６０…投射レンズ、１７０…スクリーン、１８０…電動回転駆動部、２１０…回転駆動回路、２２０…映像調整部、２３０…素子駆動回路、２５０…可変絞りを動作させた場合の映像表示素子への入射角度に対する明るさ変化の曲線、２６０…可変絞りを動作させた場合の映像表示素子への入射角度に対するコントラスト変化の曲線、２７０…可変絞りを動作させ無い場合の映像表示素子への入射角度に対する明るさ変化の曲線、２８０…可変絞りを動作させ無い場合の映像表示素子への入射角度に対するコントラスト変化の曲線、３００…入力部、３１０…メモリ。

Claims (10)

1. 光源と、
   第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとで形成され、前記光源からの光の照度を均一化するレンズアレイ群と、
   前記第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間に配置され、前記第１のレンズアレイからの光を前記第１のレンズアレイからの光の方向と同じ方向に反射するように形成された可変絞りと、
   前記第２のレンズアレイからの光を映像信号に基づいて変調して光学像を形成する映像表示素子と、
   前記映像表示素子からの光を投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射型表示装置。
2. 請求項１記載の投射型表示装置であって、
   前記可変絞りは、視野角特性の形状に基づいて光を絞った状態と、解除した状態を有することを特徴とする投射型表示装置。
3. 請求項１又は２記載の投射型表示装置であって、
   前記可変絞りは、反射ミラーであることを特徴とする投射型表示装置。
4. 請求項３記載の投射型表示装置であって、
   前記反射ミラーは、複数個で形成されることを特徴とする投射型表示装置。
5. 請求項４記載の投射型表示装置であって、
   前記可変絞りを絞った状態の場合に、前記複数個の反射ミラーの各々を視野角特性に基づいた形状となるように配置することを特徴とする投射型表示装置。
6. 請求項３から５記載の投射型表示装置であって、
   前記反射ミラーは、曲面で形成されることを特徴とする投射型表示装置。
7. 請求項６記載の投射型表示装置であって、
   前記曲面の形状は、円形状、楕円面形状、放物面形状の何れか一方であることを特徴とする投射型表示装置。
8. 請求項６又は７記載の投射型表示装置であって、
   前記可変絞りは、前記第１レンズアレイからの光を、前記曲面の接線に対して垂直に反射することを特徴とする投射型表示装置。
9. 光源と、
   第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとで形成され、前記光源からの光の照度を均一化するレンズアレイ群と、
   前記第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとの間に配置され、前記第１のレンズアレイからの光を反射する曲面で形成された可変絞りと、
   前記第２のレンズアレイからの光を映像信号に基づいて変調して光学像を形成する映像表示素子と、
   前記映像表示素子からの光を投射する投射レンズとを有し、
   前記第１レンズアレイからの光は、前記曲面の接線に対して垂直に反射することを特徴とする投射型表示装置。
10. 光源からの光を映像表示素子に照射し、映像信号に基づき光を変調して光学像を形成する投射型表示装置用の光学ユニットであって、
    少なくとも、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとで形成され、光源からの光の照度を均一化するレンズアレイ群と、
    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、前記第１のレンズアレイからの光を前記第１のレンズアレイからの光の方向と同じ方向に反射するように形成された可変絞りとを有することを特徴とする光学ユニット。
    

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