(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光を光変調手段によって変調し、前記光変調手段によって変調された光を投射手段によって投射する投射型表示装置であって、
前記光源から前記光変調手段に至る光路上に配置され、前記光源から出射された光を偏光変換してＰ偏光光を出射する偏光変換手段と、
前記偏光変換手段と前記光変調手段との間の光路上に配置された反射率可変ミラーと、
前記反射率可変ミラーの反射率を変化させることによって、前記光変調手段に入射する光の光量を調整する調光手段とを有し、
前記偏光変換手段から出射されたＰ偏光光の前記反射率可変ミラーの入射角が４５度となるように、該反射率可変ミラーが配置されている投射型表示装置。
【請求項２】
前記調光手段は、映像データ中の輝度情報に基づいて動画像の１フレームを構成する２以上のフィールドの輝度を求める輝度計測回路と、前記輝度計測回路によって求められた輝度を記憶する輝度メモリ回路と、前記輝度メモリ回路に記憶されている輝度に基づいて１フレームの平均輝度を演算する輝度演算回路と、前記輝度演算回路の演算結果に応じて前記反射率可変ミラーの反射率を変化させるミラー制御回路とを有する請求項１記載の投射型表示装置。
【請求項３】
前記反射率可変ミラーは、基板ガラスと、前記基板ガラスの表面に積層された透明導電膜、調光膜及び反射導電膜とを有し、前記調光膜は、電圧が印加されているときには、相対的に反射率が低い状態となり、電圧が印加されていないときには、相対的に反射率が高い状態となる請求項１又は請求項２に記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型表示装置に関し、特に、表示される映像のコントラスト向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源から出射された光（白色光）をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の少なくとも３色の色光に分離し、それら色光を光変調手段によって変調し、変調された色光をスクリーンに向けて拡大投射する投射型表示装置が知られている。さらに、上記光変調手段としては、液晶ライトバルブと、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device（登録商標））とが知られている。
【０００３】
上記のような投射型表示装置の分野においては、スクリーン上に表示される映像のコントラストを高めるための技術が各種開発されている。例えば、特許文献１には、光源に印加されるランプ電圧を平均輝度レベルに応じて変化させることによって、映像のコントラストを調整する技術が記載されている。また、特許文献２には、光源と液晶ライトバルブ（光変調手段）との間の光路上に、透過率が可変な調光用液晶素子を配置してコントラストの調整を図る技術が開示されている。特許文献２記載の技術では、調光用液晶素子の透過率を変化させることによって、液晶ライトバルブに照射される光の光量を変化させて、コントラストを調整している。
【特許文献１】特開平３−１７９８８６号公報
【特許文献２】特開２００３−１６２００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のコントラスト調整手段には次のような課題があった。
（１）投射型表示装置の光源には高圧放電灯が用いられている。従って、特許文献１記載の技術のように、ランプ電圧をリアルタイムで変化させて発光輝度を調整すると、ランプ寿命の低下や信頼性の低下を招くことになる。
（２）液晶素子を通過できるのは直線偏光光のみである。従って、特許文献２記載の技術のように、調光用液晶素子の透過率を変化させてコントラストを調整しようとすると、光の利用効率が低下し、映像の輝度低下を招く。
【０００５】
本発明の目的は、光源の発光輝度を変化させず、かつ、光の利用効率を低下させることなく、表示される映像のコントラストを調整可能な投射型表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の投射型表示装置は、光源から出射された光を光変調手段によって変調し、光変調手段によって変調された光を投射手段によって投射する投射型表示装置であって、光源から投射手段に至る光路上に配置された反射率可変ミラーと、反射率可変ミラーの反射率を変化させることによって、投射手段から出射される光の光量を調整する調光手段とを有する。従って、光源の発光輝度を変化させなくとも、反射率可変ミラーの反射率を変化させれば、投射光の光量が変化する。また、反射率可変ミラーの反射率が変更されても、その時々の反射率に従って入射光の全可視波長成分が反射されるので、光の利用効率が低下して映像の輝度が低下するような不都合がない。
【０００７】
上記調光手段は、映像データ中の輝度情報に基づいて動画像の１フレームを構成する２以上のフィールドの輝度を求める輝度計測回路と、輝度計測回路によって求められた輝度を記憶する輝度メモリ回路と、輝度メモリ回路に記憶されている輝度に基づいて１フレームを構成する２以上のフレームの平均輝度を演算する輝度演算回路と、輝度演算回路の演算結果に応じて反射率可変ミラーの反射率を変化させるミラー制御回路とを有することが望ましい。
【０００８】
Ｐ偏光光またはＳ偏光光のいずれか一方を光変調手段に入射させる必要がある場合、例えば光変調手段が液晶ライトバルブである場合などは、Ｐ偏光光を出射する偏光変換手段を設け、その偏向変換手段と光変調手段との間に反射率可変ミラーを配置することが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光源の発光輝度を固定したまま投射光を調光して映像のコントラストを調整することができるので、コントラスト調整に伴う光源寿命の低下や信頼性の低下を招くことがない。さらに、液晶素子の透過率を変化させてコントラスト調整を行なう場合のように、光の利用効率が低下して映像の輝度が低下するような不都合もない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１）
以下、本発明の投射型表示装置の実施形態の一例について説明する。本例の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色光毎に透過型の液晶ライトバルブが設けられた３板式のカラー液晶プロジェクタである。本例の投射型表示装置においては、メタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプなどの高圧放電灯からなる光源から発せられた光（白色光）は、反射鏡によって反射され、２枚のインテグレータレンズによって輝度分布の均一化が図られた後に２枚のダイクロイックミラーによって、赤色光、緑色光及び青色光に色分離され、各色光別に用意されている液晶ライトバルブにそれぞれ照射される。
【００１１】
図１を参照しながらより詳しく説明すると、光源１０から発せられた白色光はリフレクタ１２で反射されて、インテグレータレンズ１４に入射し、インテグレータレンズ１４、１６を透過することによって輝度分布の均一化が図られる。次に、インテグレータレンズ１６から出射された光は、偏光変換素子１８による偏光分離及び偏光変換によってＳ偏光光とされた後に、集光レンズ（フィールドレンズ２０）によって反射ミラー２２の反射面上に集光され、ダイクロイックミラー２４に向けて反射される。その後、ダイクロイックミラー２４によって白色光から青色光が分離され、さらにダイクロイックミラー２６によって緑色光と赤色光とに分離される。各色光のうち青色光は、反射ミラー２８とコンデンサーレンズ３０を経て液晶ライトバルブ３２Ｂに入射し、光変調を受ける。また、緑色光はコンデンサーレンズ３４を経て液晶ライトバルブ３２Ｇに入射し、光変調を受ける。さらに、赤色光は２枚のリレーレンズ３６、３８と２枚の反射ミラー４０、４２とで構成されたリレー光学系と、コンデンサーレンズ４４を経て液晶ライトバルブ３２Ｒに入射し、光変調を受ける。尚、各液晶ライトバルブ３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂの入射側には、入射側偏光板４６が配置され、出射側には出射側偏光板４８がそれぞれ配置され、各液晶ライトバルブ３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂで光変調された偏光光の偏光面が揃えられる。具体的には、一対の入射側偏光板４６及び出射側偏光板４８は、互いの透過軸が直交するように（クロスニコルに）配置され、偏光方向が出射側偏光板４８の透過軸と平行な光のみが出射側偏光板４８を透過し、それ以外の光は吸収される。各出射側偏光板４８を透過した色光は、クロスダイクロイックプリズム５０によって色合成され、投射レンズ５２によって不図示のスクリーン上に拡大投射される。
【００１２】
さらに本例の投射型表示装置では、反射ミラー２２が図２に示す構造を有する反射率可変ミラーとされている。この反射率可変ミラー２２は、基板ガラス６０の表面に、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）などからなる透明導電膜６２、調光膜６４、及びアルミニウムなどからなる反射導電膜６６が順次形成されている。尚、これら膜は、イオンプレーティング等の成膜技術によって形成されたものである。さらに、基板ガラス６０には、透明導電膜６２に接続された電極６８ａと、反射導電膜６６に接続された電極６８ｂとが形成されている。また、透明導電膜６２、調光膜６４及び反射導電膜６６は、封止樹脂７０を介して装着されたガラス板７２によって保護されている。
【００１３】
図１に示すフィールドレンズ２０から出射した光は、図２に示す基板ガラス６０側から（図中左側から）入射し、透明導電膜６２及び調光膜６４を透過し、反射導電膜６６で反射されて入射経路を戻り、基板ガラス６０から出射される。ここで、調光膜６４は、その両面に設けられた導電膜（電極層）６２、６６に電圧を印加して得られる可逆的な酸化・還元反応によって着色状態と消色状態とに変化する。具体的には、調光膜６４は、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）や酸化ニッケル（ＮｉＯ）などの酸化発色材層、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの固体電解質、及び三酸化タングステン（ＷＯ3）や三酸化モリブデン（ＭｏＯ3）などの還元発色材層からなる三層構造を有し、着色状態時には消色状態時に比べて反射率が低く、消色状態時には着色状態時に比べて反射率が高くなる。従って、導電膜６２、６６に印加される電圧を制御して、反射率可変ミラー２２の反射率を変化させれば、光源１０の発光輝度を固定したまま各液晶ライトバルブ３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂに入射する光の光量を調整（増減）し、スクリーンに表示される映像のコントラストを向上させることができる。
【００１４】
ここで、入力される映像信号（映像データ）の種類（ＲＧＢ、ＮＴＳＣ、ＰＡＬなど）に係わらず、動画像の１フレームは１秒当たり６０個のフィールドで構成されている。従って、映像データに示される輝度を各フィールドごとに測定し、その度に投射光の輝度を変化させると、６０Ｈｚで輝度が変化することとなり、フリッカーを伴った映像となってしまう。従って、表示映像の輝度変化タイミングを主に数秒単位のタイミングで変化する動画像の輝度変化に合わせることが望ましい。さらに、過去に表示された映像と、現在表示されている映像と、これから表示される映像とを違和感なく連続させるためには、過去、現在及び未来の映像の輝度を連続的に変化させることが重要である。そこで本例の投射型表示装置は、図３に示すように、映像データ中の輝度情報に基づいて動画像の１フレームを構成する各フィールドの輝度を求める輝度計測回路７０と、輝度計測回路７０によって求められた輝度（輝度データ）を記憶する輝度メモリ回路７２と、輝度メモリ回路７２に記憶されている輝度データに基づいて１フレームの平均輝度を求める輝度演算回路７４と、当該フレームの輝度が輝度演算回路７４の演算によって得られた輝度と一致するか、それになるべく近くなるように、反射率可変ミラー２２の反射率を変化させるミラー制御回路７６とから構成される調光部７８を備えている。尚、輝度演算回路７４に輝度平均を演算させる場合には、各フィールドに関する輝度データに重み付けを行ない、過去のフィールドの輝度ほど重みを小さくして平均を求めさせることが、映像を違和感なく連続させる上で効果的である。また、輝度演算回路７４の演算結果に基づく反射率可変ミラー２２の制御方法は特に限定されない。例えば、輝度演算回路７４の演算結果と調光膜６４への電圧印加のＯＮ／ＯＦＦ（或いは印加される電圧値）とを対応させたテーブルを予め不図示のメモリに記憶させておき、ミラー制御回路７６が上記テーブルに示されているデータに従って調光膜６４を制御する方法が考えられる。
【００１５】
尚、着色状態の調光膜６４では、反射率が低下した分だけ光の吸収率が高くなり、吸収された光は最終的に熱となる。よって、調光膜６４が着色状態のときには、反射率可変ミラー２２が発熱するので、反射率可変ミラー２２を効率よく冷却することが必要である。従って、基板ガラス６０に熱伝導率の高い材料を使用して冷却効率を高めたり、水冷や空冷などの強制冷却手段を設けたりすることが望ましい。熱伝導率の観点からは、溶融石英よりも単結晶サファイア、水晶、マグネシアなどが基板ガラス６０の材料として望ましい。特にマグネシアは光学的に等方なので入射光の偏光状態に左右されず、偏光起因の損失がないことが特徴である。
【００１６】
これまでの説明から明らかなように、反射率可変ミラー２２の設置位置は図１に示す位置（フィールドレンズ２０とダイクロイックミラー２４との間）に限定されない。すなわち、光源１０から投射レンズ５２に至る光路上に反射率可変ミラー２２が設置されていれば本発明の目的を達成することができる。もっとも、ダイクロイックミラー２４とクロスダイクロイックプリズム５０との間に反射率可変ミラー２２設置する場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光の光路上に反射率可変ミラー２２をそれぞれ設置する必要がある。光源１０から投射レンズ５２に至る光路上における反射率可変ミラー２２の設置位置のバリエーションを図４〜図７に示す。図４は、光源１０とインテグレータレンズ１４と間に反射率可変ミラー２２が設置された例を示す。図５は、インテグレータレンズ１４と１６の間に反射率可変ミラー２２が設置された例を示す。図６は、インテグレータレンズ１６と偏光変換素子１８との間に反射率可変ミラー２２が設置された例を示す。図７は、偏光変換素子１８とフィールドレンズ２０との間に反射率可変ミラー２２が設置された例を示す。これら図４〜図７に示される以外の位置に反射率可変ミラー２２を設置した場合も、その反射率可変ミラー２２の反射率を変化させれば、光源１０の発光輝度を固定したまま液晶ライトバルブ３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂに入射する光の光量を調整し、スクリーンに表示される映像のコントラストを向上させることができる。
【００１７】
さらに、図７に示す場合などのように、偏光変換素子１８よりも後段に反射率可変ミラー２２を設置する際には、偏光変換素子１８から出射される光をＳ偏光光ではなく、Ｐ偏光光とすることによって次のような利点が得られる。図２に示す反射率可変ミラー２２の構造からもわかるように、光は一度基板ガラス６０を透過し、透明導電膜６２、調光膜６４を経由した後に反射導電膜６６によって反射される。ここで問題となる現象が基板ガラス６０の表面反射である。光が屈折率の異なる媒質Ｉを通過する場合、媒質Ｉの表面で光の一部が反射する現象が起
こる。この現象により、基板ガラス６０の表面で反射された光と反射導電膜６６で反射された光が各液晶パネル３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂを２重に照明することにより、光の均一性が損なわれる虞がある。一方、入射面（各液晶パネル面に垂直な面）に対して垂直なＳ偏光光、及び入射面に対して平行なＰ偏光光の基板ガラス６０の表面における反射率は、次式で表される。
【００１８】
【数１】
0004669668.tif 000002
ＲsはＳ偏光の光の反射率、ＲpはＰ偏光の光の反射率、ｎ1は入射側の屈折率、ｎ2は屈折側の屈折率、ｉは入射角、ｒは屈折角である。
【００１９】
図８は、空気中にある光学ガラス（ＢＫ７）にＳ偏光光及びＰ偏光光を入射させたときの反射率の入射角依存性を示したものである。ここでは、ｎ1＝1（空気）、ｎ2＝１．５２（ＢＫ７）とした。図８より、Ｐ偏光光にはＳ偏光光よりも反射率が低くなる入射角度が存在することが分かる。ここで、液晶パネルを用いた投写型表示装置の光学系の一部をなす反射ミラーは、主に入射光の光軸に対して４５°の傾きで設置されており、多くの光は４５°で反射ミラー面に入射する。そこで、入射角４５°におけるＰ偏光光及びＳ偏光光の反射率を比較してみると、Ｐ偏光光はＳ偏光光に比べて約１０％も反射率が低いことがわかる。
【００２０】
以上より、図７に示す場合などのように、偏光変換素子１８よりも後段に反射率可変ミラー２２を設置する際には、偏光変換素子１８から出射される光をＰ偏光光とし、その入射角を４５°とすれば、基板ガラス６０（図２）の表面反射が１％未満にまで抑制され、各液晶パネルをより均一に照明することができるといった利点が得られる。
【００２１】
（実施形態２）
以下、本発明の投射型表示装置の実施形態の他例について説明する。本例の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色光をＤＭＤに順次照射して光変調を行なう単板式のＤＭＤプロジェクタである。本例の投射型表示装置においては、光源から発せられた光（白色光）はカラーホイールによってＲ、Ｇ、Ｂの各色光に時分割で分離され、ロッドレンズによって輝度分布の均一化が図られた後にコンデンサーレンズによって光束断面が拡大されてから反射ミラー及びレンズを経てＤＭＤに照射される。
【００２２】
図９を参照しながらより詳しく説明すると、図９に示す光源１１から発せられた白色光はリフレクタ１３で反射されて、カラーホイール１５に入射する。カラーホイール１５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光を選択的に通過させるカラーフィルタが円周方向に沿って配置された円盤であり、所定速度で円周方向に回転する。従って、カラーホイール１５に入射した光（白色光）は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光に時分割で分離されてロッドレンズ１７に入射し、ロッドレンズ１７内を全反射しながら進行する間に輝度分布の均一化が図られる。次に、ロッドレンズ１７から出射された光は、その先のコンデンサーレンズ１９、２１に入射し、ロッドレンズ１７の出射端面における輝度分布を保持したたままで光束断面が拡大され、反射ミラー２３によって進行方向が偏向される。光路偏向された光は、コンデンサーレンズ２５によって平面波とされてからコンデンサーレンズ２５の像面側焦点近傍に配置されているＤＭＤ２７に照射され、光強度分布が空間的に変調された後に、投射レンズ２９によって不図示のスクリーン上に拡大投射される。
【００２３】
さらに、本例の投射型表示装置では、反射ミラー２３が図２に示す構造を有する反射率可変ミラーとされている。従って、実施形態１で説明したのと同様の原理によって反射率可変ミラー２３の反射率を変化させることによって、光源１１の発光輝度を固定したままＤＭＤ２７に照射される光の光量を調整し、スクリーンに表示される映像のコントラストを向上させることができる。尚、本例の投射型表示装置も、図３に示す調光部７８を備えている。
【００２４】
本例の投射型表示装置においても、反射率可変ミラー２３の設置位置は図９に示す位置（コンデンサーレンズ２１と２５との間）に限定されない。すなわち、光源１１から投射レンズ２９に至る光路上に反射率可変ミラー２３が設置されていれば本発明の目的を達成することができる。光源１１から投射レンズ２９に至る光路上における反射率可変ミラー２３の設置位置のバリエーションを図１０〜図１４に示す。図１０は、光源１１とカラーホイール１５との間に反射率可変ミラー２３が設置された例を示す。図１１は、ロッドレンズ１７とコンデンサーレンズ１９との間に反射率可変ミラー２３が設置された例を示す。図１２は、コンデンサーレンズ１９と２１との間に反射率可変ミラー２３が設置された例を示す。図１３は、コンデンサーレンズ２５とＤＭＤ２７との間に反射率可変ミラー２３が設置された例を示す。図１４は、ＤＭＤ２７と投射レンズ２９との間に反射率可変ミラー２３が設置された例を示す。これら図１０〜図１４に示される以外の位置に反射率可変ミラー２３を設置した場合も、その反射率可変ミラー２３の反射率を変化させれば、光源１１の発光輝度を固定したまま投射レンズ２９から出射される投射光の光量を調整し、スクリーンに表示される映像のコントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の投射型表示装置の実施形態の一例を示す模式図である。
【図２】反射率可変ミラーの構造を示す断面図である。
【図３】調光部の構成例を示すブロック図である。
【図４】光源とインテグレータレンズと間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【図５】２枚のインテグレータレンズの間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【図６】インテグレータレンズと偏光変換素子との間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【図７】偏光変換素子とフィールドレンズとの間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【図８】Ｓ偏光光およびＰ偏光光の入射角と反射率の関係を示す図である。
【図９】本発明の投射型表示装置の実施形態の他例を示す模式図である。
【図１０】光源とカラーホイールとの間に配置された反射率可変ミラーを示す模式ブロック図である。
【図１１】ロッドレンズとコンデンサーレンズとの間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【図１２】２枚のコンデンサーレンズの間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【図１３】コンデンサーレンズとＤＭＤとの間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【図１４】ＤＭＤと投射レンズとの間に配置された反射率可変ミラーを示す模式図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０、１１  光源
１２、１３  リフレクタ
１４、１６  インテグレータレンズ
１５  カラーホイール
１７  ロッドレンズ
１８  偏光変換素子
２０  フィールドレンズ
２２、２３  反射率可変ミラー
２４、２６  ダイクロイックミラー
２７  ＤＭＤ
２８、４０、４２  反射ミラー
１９、２１、２５、３０、３４、４４  コンデンサーレンズ
３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂ  液晶ライトバルブ３２Ｂ
３６、３８  リレーレンズ
４６  入射側偏光板
４８  出射側偏光板
５０  クロスダイクロイックプリズム
２９、５２  投射レンズ
７８  調光部
【図１】
0004669668.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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