(57)【要約】【課題】  色変化を生ずることなくコントラストの高い低階調の映像を表示することができる液晶ライトバルブに適用される照明光学系およびそれを用いた投射型表示装置を得ることを目的とする。【解決手段】  光源系３からの光を複数の部分光束に分割して出射する光学素子４と、前記複数の部分光束を液晶ライトバルブ２上で重畳されるように集光する集光素子６と、光源系３と集光素子６との間の光路上に配され、前記光路上で開口面積を変化させて液晶ライトバルブ２に照射される光量を調整する光量調整機構９とを備え、液晶ライトバルブ２の入射面の法線に対する前記部分光束の角度を入射角度と定義すると、光量調整機構９は、前記複数の部分光束のうち、前記入射角度が最大となる部分光束が液晶ライトバルブ２に照射されるように前記開口面積を変化させるように構成した。【選択図】    図１
2009020413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を複数の部分光束に分割して出射する光学素子と、
前記複数の部分光束を液晶ライトバルブ上で重畳されるように集光する集光素子と、
前記光源と前記集光素子との間の光路上に配置され、前記光路上で開口面積を変化させて前記液晶ライトバルブに照射される光量を調整する光量調整機構とを備え、
前記液晶ライトバルブの入射面の法線に対する前記部分光束の角度を入射角度と定義すると、
前記光量調整機構は、前記複数の部分光束のうち、前記入射角度が最大となる部分光束が前記液晶ライトバルブに照射されるように前記開口面積を変化させる照明光学系。
【請求項２】
前記光学素子は、複数の第１のレンズセルが縦横に配列され、前記光源から発せられた光を前記各第１のレンズセルにより分割する第１のレンズアレイと、前記各第１のレンズセルに対応する複数の第２のレンズセルが縦横に配列され、方形の出射面を形成する第２のレンズアレイとを有し、前記各第２のレンズセルから前記各部分光束を出射するインテグレータレンズであり、
前記光量調整機構は、前記方形の出射面の４隅に位置する前記第２のレンズセルのうち、少なくともひとつの第２のレンズセルからの前記部分光束が前記液晶ライトバルブに照射されるように前記開口面積を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記光量調整機構は、前記光路の光軸に対して点対称となるように設置された少なくとも一対の遮光体を有し、
前記各遮光体は、前記光軸に対して点対称に配置され、前記光軸と平行な回動軸を中心に互いに同方向に回動することにより前記開口面積を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記光量調整機構は、前記第２のレンズアレイが形成する方形の出射面におけるいずれかの辺に対して平行で、かつ前記光路の光軸を挟むようにして逆方向に移動する少なくとも一対の遮光体を有し、
前記各遮光体は、前記出射面の前記辺に接する前記各第２のレンズセル、および前記辺に対向する辺に接する前記各第２のレンズセルから出射される部分光束が前記液晶ライトバルブに照射しているように、前記開口面積を変化させることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記各遮光体は、前記光軸に対向する端部に前記光軸に対して対称に形成された曲線部を有していることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記光量調整機構は、前記開口面積を変化させるための遮光体を、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１のレンズアレイよりも前記第２のレンズアレイに近い側に配置していることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記光量調整機構は、前記開口面積を変化させるための遮光体を、前記光学素子の出射面と前記集光素子との間に配置していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明光学系。
【請求項８】
光源と、
前記光源からの光を受ける請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の照明光学系と、
前記照明光学系を介して前記光源からの光が照射される液晶ライトバルブと、
前記液晶ライトバルブからの光画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズ系と、
を備えてなる投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光量調整機構を備えた照明光学系、および照明光学系を用いてスクリーンに光画像を投射して映像を表示させる投射型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の投射型表示装置では、光画像を生成するライトバルブの特性上、完全に光を遮断することができず、低階調の映像を表示する場合に十分なコントラストの映像表示を行うことが困難であるという問題があった。
【０００３】
そこで、光源とライトバルブまでの光路上に、光軸に対して垂直な面の上下方向に移動する絞り機構を設け、映像信号に応じて絞り羽を上下両方から挟み込むように移動させてライトバルブに到達する光量を調整し、低階調の映像を表示する際にも十分なコントラストが得られるようにした投射型表示装置が提案されている。（例えば特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００５／２６８３５号（段落００３５、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような投射型表示装置の光源とライトバルブの間には、光源からの光をライトバルブに均一に照射するための光学素子と集光素子が設けられている。この場合、光学素子では、光源からの光を複数の部分光束に分割し、集光素子によって各部分光束をライトバルブ上に重畳するように集光している。したがって、上下方向から絞り羽を挟み込むような絞り機構により光量を調整しようとすると、光学素子の出射面の周縁部からの部分光束、つまり、部分光束の中でライトバルブに対して最も入射角度の大きな部分光束が遮光されることになる。そして、ライトバルブに液晶ライトバルブを用いた場合、入射角度に対する出射光量特性が、液晶ライトバルブ（Ｒ、Ｇ、Ｂ）により、夫々異なる。そのため、周縁部からの部分光束が液晶ライトバルブに入射しない場合、液晶ライトバルブから出射される光に色変化が生じることになる。したがって、液晶ライトバルブに従来の絞り機構を適用すると、光量を調整する際に表示する映像に色変化が生じてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、色変化を生ずることなくコントラストの高い低階調の映像を表示することができる液晶ライトバルブに適用される照明光学系およびそれを用いた投射型表示装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる照明光学系および投射型表示装置は、光源からの光を複数の部分光束に分割して出射する光学素子と、前記複数の部分光束を液晶ライトバルブ上で重畳されるように集光する集光素子と、前記光源と前記集光素子との間の光路上に配置され、前記光路上で開口面積を変化させて前記液晶ライトバルブに照射される光量を調整する光量調整機構とを備え、前記液晶ライトバルブの入射面の法線に対する前記部分光束の角度を入射角度と定義すると、前記光量調整機構は、前記複数の部分光束のうち、前記入射角度が最大となる部分光束が前記液晶ライトバルブに照射されるように前記開口面積を変化させるように構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光源から液晶ライトバルブに照射される光量を開口面積の変化により調整する光量調整機構であって、光量を均一化するための光学素子から分割して出射される複数の部分光束のうち、前記液晶ライトバルブへの入射角度が最大となる部分光束が前記液晶ライトバルブに照射されるように前記開口面積を変化させる光量調整機構を備えたことにより、光量を調整しても液晶ライトバルブへの入射角度の最大値が変化しないので、色変化を生ずることなくコントラストの高い低階調の映像を表示することができる照明光学系およびそれを用いた投射型表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１に係る照明光学系および投射型表示装置を示すもので、図１はその全体構成を示す図、図２は光量調整機構の部分構成を示す図、図３は照明光学系の部分構成を示す図である。図４は液晶ライトバルブの出射波長の入射角度依存性を示す図、図５は色度図である。また、図６は、本発明の効果を説明するための従来の光量調整機構の部分構成を示す図、図７〜図１０は、本実施の形態における光量調整機構の特性を説明するための図である。
【００１０】
図１において、投射型表示装置１１は、光源系３から出射された光で液晶ライトバルブ２を照射し、液晶ライトバルブ２上に形成される光画像を投射レンズ系１０によって、図示しないスクリーンに投射するものである。そして、照明光学系１は、光源系３から液晶ライトバルブ２までの光路上に配置された光学機器であって、光源系３の後段に配置された光量を均一化するための光学素子であるインテグレータレンズ４と、インテグレータレンズ４の後段に配置された偏光変換素子５と、偏光変換素子５の後段に配置されたコンデンサレンズ６と、コンデンサレンズ６の後段に配置されたフィールドレンズ７と、フィールドレンズ７の後段に配置された偏光板８と、光量調整機構９とを備えている。
【００１１】
また、投射型表示装置１１は、上述した照明光学系１と、光源系３と、液晶ライトバルブ２と、投射レンズ系１０とをさらに備える。なお、図１では、便宜上、ＲＧＢの光路それぞれに液晶ライトバルブ２を備えた場合の単一光路のみを示して代用している。さらに、投射型表示装置１１は、図示しないスクリーンをさらに備えるようにしてもよい。
【００１２】
次に、照明光学系１およびそれを用いた投射型表示装置１１の各構成機器の詳細について説明する。
光源系３は、光源３ａと光源３ａの光を液晶ライトバルブ２側に反射させる反射鏡３ｂとから構成され、投射型表示装置１１の光源として機能する。
【００１３】
光源３ａには高圧水銀ランプを用いており、高圧水銀ランプから発せられた光は、放物面を形成する反射鏡３ｂによって、インテグレータレンズ４に向かって光軸Ｃと略並行に出射する。ただし、反射鏡３ｂの形状はこれらに限定されず、他の形状の凹面鏡を用いることもできる。光源系３の形状及び構造は、出射する光を偏光変換素子５に集光させることができる形状及び構造であれば他の形状及び構造であってもよい。例えば、光源系３からインテグレータレンズ４に入射する光を、光軸Ｃと略平行な光束にする場合には、反射鏡３ｂを楕円面鏡とし、光源系３とインテグレータレンズ４との間に凹レンズ（図示せず）を配置することによって、インテグレータレンズ４に入射する光を光軸Ｃに略平行な光束にすることもできる。ここで、光軸Ｃは光源系３から液晶ライトバルブ２までの光路の光軸である。
【００１４】
液晶ライトバルブ２へ照射される光量を均一化するための光学素子であるインテグレータレンズ４は、第１のレンズアレイ４ａと、第１のレンズアレイ４ａの後段側に離間配置された第２のレンズアレイ４ｂとから構成される。各レンズアレイ４ａ、４ｂともに、複数の凸レンズのレンズセル４ａｃ、４ｂｃが縦横に並んで配置された方形をなしている。そして、第１のレンズアレイ４ａの各レンズセル４ａｃと第２のレンズアレイ４ｂの各レンズセル４ｂｃはそれぞれ対応しており、光源系３からの光は第１のレンズアレイ４ａの各レンズセル４ａｃに対応する第２のレンズアレイ４ｂのレンズセル４ｂｃに分割して照射される。つまり、光源系３からの光はインテグレータレンズ４の方形の出射面となる第２のレンズアレイ４ｂを縦横に分割した部分に対応する各レンズセル４ｂｃに分散照射され、分散照射された光は、第２のレンズアレイ４ｂの各レンズセル４ｂｃからの部分光束となって光軸Ｃに対して略並行に出射される。
【００１５】
光量調整機構９は、第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂとの間であって、光軸Ｃに対して点対称となるように設置された一対の遮光体９Ｌ、９Ｒを有している。そして、図２（詳細は後述）に示すように、光軸Ｃに対して点対称に配置され、光軸Ｃと平行な回動軸９ａＬ、９ａＲを中心に各遮光体９Ｌ、９Ｒを互いに同方向に回動させる回動機構９ａと、液晶ライトバルブ２に入力される映像信号を検知し、その検知結果から相対光量比（インテグレータレンズ４に入射した光量に対する液晶ライトバルブ２に照射される光量の光量の比）を算出する信号検知部９ｂと、信号検知部９ｂにより算出された相対光量比に基づき、回動機構９ａを回動制御する回動制御部９ｃを備えている。そして、各遮光体９Ｌ、９Ｒは、回動軸９ａＬ、９ａＲを中心に互いに同方向に回動することにより、互いに対向するように移動し、光源系３から液晶ライトバルブ２に至る光路中の開口面積を変化させて、液晶ライトバルブ２に到達する光量を調整する。
【００１６】
偏光変換素子５は、インテグレータレンズ４から出射された各部分光束を１種類の直線偏光光に変換して出射するものである。偏光変換素子５は、図３に示すように互いに光軸Ｃに対して上下方向（ｘ方向）に適宜間隔をあけて配置され、それぞれ光軸Ｃに対して傾斜（例えば４５°傾斜）するように配置された複数の偏光分離膜５ａと、各偏光分離膜５ａ間において光軸Ｃに対して同様の傾斜をもって配置された複数の反射膜５ｂと。各偏光分離膜５ａの後方に配置されたλ／２位相差板５ｃとを備えている。
【００１７】
インテグレータレンズ４から偏光変換素子５に入射した各部分光束は、偏光分離膜５ａによってｓ偏光光とｐ偏光光に分離される。ｓ偏光光は偏光分離膜５ａで反射され、その上方にある反射膜５ｂで再び反射されて出射され、ｐ偏光光は偏光分離膜５ａをそのまま通過し、後方のλ／２位相差板５ｃにより、ｓ偏光光に偏光変換されて出射される。つまり、偏光変換素子５から出射される各部分光束は全てｓ偏光光となる。
【００１８】
偏光変換素子５から出射された各部分光束は、図１に示すようにコンデンサレンズ６およびフィールドレンズ７によって液晶ライトバルブ２の入射面に重畳するように集光される。つまり、コンデンサレンズ６は、インテグレータレンズ４から出射された各部分光束を液晶ライトバルブ２に重畳されるように集光し、液晶ライトバルブ２へ照射される光量を均一化するための集光素子として機能する。
【００１９】
光源系３から出射され、インテグレータレンズ４の出射面から出射される各部分光束については、中央側のレンズセル４ｂｃからの部分光束の方が、周縁部のレンズセル４ｂｃからの部分光束より光強度が高い。しかし、出射面内を縦横に分割した各レンズセル４ｂｃからの各部分光束を液晶ライトバルブ２に重畳させるように照射することにより、液晶ライトバルブ２の入射面においては強度分布が均一化された状態で光が入射する。
【００２０】
液晶ライトバルブ２は、投射する光画像の各画素に対応する液晶表示素子を多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作させることで、入射された光を基に光画像を出射する。
【００２１】
投射レンズ系１０は、複数のレンズを組み合わせたものであり、液晶ライトバルブ２から出射された光画像をスクリーンに拡大投射することができる。
【００２２】
次に動作について、光量調整機構９の詳細な説明とともに説明する。
図２は、光量調整機構９の回動機構９ａ（図では遮光体９Ｌ、９Ｒ、および回動軸９ａＬ、９ａＲのみ記載）の構成を第２のレンズアレイ４ｂとの関係で示すものである。遮光体のうち、第２のレンズアレイ４ｂに対して＋ｘ方向（左側）に位置する方を遮光体９Ｌ、第２のレンズアレイ４ｂに対して−ｘ方向（右側）に位置する方を９Ｒとする。各遮光体９Ｌ、９Ｒは、夫々回動軸９ａＬ、９ａＲを中心として同方向に回動し、光軸Ｃに垂直なｘｙ平面内を互いに対向するように移動することとなる。ここで、各遮光体９Ｌ、９Ｒのｚ方向（光軸Ｃ方向）位置は異なっていることが好ましい。また、各遮光体９Ｌ、９Ｒの回動位置は、光軸Ｃに対して点対称に配置されていることが好ましい。また、９ａＬと９ａＲを結ぶ対角線上かつ、レンズアレイ４ｂの周辺に重ならない位置に回動軸があることが好ましい。
【００２３】
回動機構９ａは、回動制御部９ｃの指令により、図２に示すように光路の両側から光軸Ｃ側に遮光体９Ｌ、９Ｒを突出・退避自在に回動駆動し、光路上への各遮光体９Ｌ、９Ｒの突出量に応じて液晶ライトバルブ２に照射される光量を調整する。このとき、各遮光体９Ｌ、９Ｒの光軸Ｃ方向の投影面における突出方向側は平坦に形成している。
【００２４】
そして、相対光量比が１００％のとき、つまり、光量を減少させない場合は各遮光体９Ｌ、９Ｒは図中実線で示すように光路上で開口面積を最大にして第２のレンズアレイ４ｂのレンズセル４ｂｃが全て開口部となるように配置する。相対光量比を小さくする、つまり、光量を絞る場合は、各遮光体９Ｌ、９Ｒを光軸Ｃに向かって反時計回りに回動させることによってレンズアレイ４ｂからの部分光束を遮光、つまり、開口面積を小さくする。そして、最も相対光量比を小さくするとき、つまり、光量を最も小さくする場合は、点線に示すように遮光体９Ｌ、９Ｒが光軸Ｃ上で１部重なるような状態となる。ここで、各遮光体９Ｌ、９Ｒの回動軸９ａＬ、９ａＲの位置を光軸Ｃに対して同一方向、例えば、＋ｘ方向に揃えても光量調整は可能であるが、ライトバルブ２の入射角度特性を考慮すると、＋ｘ、−ｘ双方向からのライトバルブ２に入射する光量は略等しいことが好ましい。従って、各遮光体９Ｌ、９Ｒの回動軸９ａＬ、９ａＲの位置は図２に示すように光軸Ｃに対して点対称に配置することが好ましい。
【００２５】
次に、光量調整機構９を用いたことによる投射画像のコントラストの向上に関して説明する。１００％相対光量比の映像信号の場合、光量調整機構９は、図２の実線のように遮光体９Ｌ、９Ｒによる遮光をせずに１００％の相対光量になるように遮光体９Ｌ、９Ｒの回動位置を調整する。また、２０％相対光量比の映像信号の場合、遮光体９Ｌと９Ｒを光路内に突出させて開口面積を減少させ、液晶ライトバルブ２に照射される光量を２０％まで遮光して相対光量比を低くする。これにより、液晶ライトバルブ２内では、２０％の光量に対して１００％の光を透過することで映像表示することになるので、光量調整機構９を用いないときと比較して、約５倍の細かな映像信号調整が可能となる。また、光量調整しない場合と比較して、０％信号の黒を沈めることが可能となり、コントラストの向上が図れる。これは、液晶ライトバルブ２の特性上、液晶ライトバルブ２の透過率を最も小さくしても、一定の透過率を有しているため、液晶ライトバルブ２に照射する光量を低くすることにより、映像を暗くすることが可能となる。
【００２６】
このとき、図２に示すように、遮光体９Ｌ、９Ｒを回動させて開口面積を変化させる際、第２のレンズアレイ４ｂにおける４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆのいずれかは、遮光体９Ｌ、または９Ｒに遮光されず、４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆのうち少なくともいずれかからの部分光束が常に液晶ライトバルブ２に照射されることとなる。そして、図２において、光量調整のいずれの段階においても１０ａおよび１０ｃに示す４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆのいずれかを含む領域は常に開口部となっている。そして、光量調整途中から開口部となるのが、もう一方の４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆのいずれかを含む１０ｂおよび１０ｄである。従って、各遮光体９Ｌ、９Ｂの回動軸９ａＬ、９ａＲの位置は、１０ａおよび１０ｃに常に開口部が形成されるように配置する必要がある。また、１０ｂおよび１０ｄに開口部を形成させるためには、遮光体９Ｌ、９Ｒのｙ方向長さｄｖおよびｘ方向長さｄｈを調整する必要がある。これにより、例えば、点線で示す開口面積を最小にした場合（相対光量比１５％）でも、第２のレンズアレイ４ｂにおいて４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆの全ての部分光束が液晶ライトバルブ２に照射される。
【００２７】
これにより、インテグレータレンズ４の出射面における４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆの内のいずれかのレンズセル４ｂｃｆからの部分光束、つまり、液晶ライトバルブ２の入射面の法線に対する入射角度が最大となる部分光束が常に液晶ライトバルブ２に照射されるため、液晶ライトバルブ２への光の入射角度の最大値が常に一定となる。
【００２８】
上述したように、液晶ライトバルブ２では、入射面に照射される光束の最大入射角度によって１００％映像信号に対する色度の値が変化する。図４に、光量調整時の液晶ライトバルブ２への最大入射角度とスクリーン上の１００％映像階調の白映像のｙ値との関係をわかりやすく概念的に示す。最大入射角度が小さくなるにつれて、ｙ値が大きくなっていることがわかる。これは、最大入射角度が小さくなるにつれて緑色に近くなっていることを示している。ここで、ｙ値が０．０１５程度大きくなると人間が目視で認識できるレベルの色変化となる。そのため、従来の光量調整機構を備えた投射型表示装置では、光量調整時に最大入射角度が変化するので、スクリーン上の映像に色変化が生じる。さらに、白映像のｙ値と液晶ライトバルブ２への最大入射角度との関係は、各映像階調によって図４と異なる傾向を示す。従って、光量調整時には、光量調整に応じた各映像階調の制御をする必要性が生じることとなる。
【００２９】
また、図５に、色度図を示す。横軸はｘ値、縦軸はｙ値を示す。曲線は、スペクトル光の色度軌跡を表している。また、領域１２０は、赤、領域１２１は緑、領域１２２は青の概ねの領域位置を示している。緑の位置が、ｙ値の大きいところに位置するため、ｙ値が大きくなると緑に近くなることとなる。本実施の形態１で用いた液晶ライトバルブ２は図４に示すような特性を示し、最大入射角度によってｙ値が変動するので青から緑にかけての色変化が懸念されるものであった。しかし、液晶ライトバルブによって出射波長（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の入射角度特性は様々であり、ｘ値が変動する場合は赤への変化が生ずる場合もある。
【００３０】
しかし、本実施の形態における投射型表示装置では、図２に示すように、第２のレンズアレイ４ｂの中心位置からもっとも離れて位置する４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆのうち、２つのレンズセル４ｂｃｆに対応する部分には常に開口部が形成されることにより、最大入射角度をなす部分光束の照射の減少をできる限り抑え、相対光量比の調整時にスクリーン上の映像の色変化を低減することが可能となる。
【００３１】
なお、第２のレンズアレイ４ｂの中心位置から最も離れた位置にある出射面の４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆのうち少なくとも１つのレンズセル４ｂｃｆからの部分光束に対応する部分が開口部となっていれば同様の効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、本実施の形態では、開口面積を小さくする際、インテグレータレンズ４の出射面の周縁部に位置する照射光の光量が少ないレンズセル４ｂｃを利用することになる。そのため、同じ光量を液晶ライトバルブ２に照射する場合、従来の中央側にある照射光の光量の多いレンズセル４ｂｃを利用する場合と比較して、液晶ライトバルブ２に重畳させる部分光束の数が多くなる。その結果、液晶ライトバルブ２上において光が十分重畳されることにより照度むらをより効率的に抑制することができる。
【００３３】
なお、遮光体９Ｌ、９Ｒは、第２のレンズアレイ４ｂとコンデンサレンズ６との間に配置する事が、後述するように光学的に最も好ましい。しかし、その部分は隙間が少なく実装が困難となる場合がある。そこで、適度な隙間があり、かつ、照度むらを生じさせない場所として、第１のレンズアレイ４ａと第２のレンズアレイ４ｂの間で、かつ第２のレンズアレイ４ｂに近い側を各遮光体９Ｌ、９Ｒの設置場所に選定した。これにより、余分なスペースを必要とせず、液晶ライトバルブ２上で照度むらが観察されない光量調整が可能となる、ここで、第１のレンズアレイ４ａ近傍は、液晶ライトバルブ２と共役関係にあるので、第１のレンズアレイ４ａに近い側に各遮光体９Ｌ、９Ｒを配置すると、各遮光体９Ｌ、９Ｒの辺を構成する部分９Ｌｅ、９Ｒｅが液晶ライトバルブ２上に結像することとなり、照度むらを招くため、第２のレンズアレイ４ｂ側に各遮光体９Ｌ、９Ｒを配置することが好ましい。
【００３４】
次に、本発明における投射型表示装置の光量調整機能の向上効果を確認するため、従来の光量調整機構と比較して説明する。図６は従来の光量調整機構１９の回動機構の構成と動作を示すもので、図６（ａ）は、光軸Ｃ方向から見た正面図、図６（ｂ）は、側面図である。図において、遮光体１９Ｔ、１９Ｂは、形状は本実施の形態１の遮光体９Ｌ、９Ｒと同様の平板であり、光路に対する突出側の端部１９Ｔｅ、１９Ｂｅも直線状である。しかし、回動軸１９ａＴ、１９ａＢが第２のレンズアレイ４ｂにおける上下の辺に対して平行（光軸Ｃに対して垂直）で、しかも上下位置において上下の辺に対応する位置に設けられており、遮光体１９Ｔ、１９Ｂは観音開きのように動作して開口面積を変化させる。例えば、図６（ｂ）では、遮光体１９Ｔでは３０→３１→３２→３３→３４→３５→３６の順に、１５度ごとに回動した場合を示している。遮光体１９Ｂも、遮光体１９Ｔと同様で対称の挙動を示す。ここで、遮光体１９Ｔは、回動軸が＋ｙ方向に位置する遮光体、遮光体１９Ｂは、回動軸が−ｙ方向に位置する遮光体を示す。また、各遮光体１９Ｔ、１９Ｂは、ｙ軸に沿って突出・退避自在に回動稼動される。
【００３５】
図７は、本実施の形態における回動機構９ａにおいて、遮光体９Ｌ、９Ｒの回動角度範囲を０〜９０度とした場合の回動角度に対する相対光量の変化のシミュレーション結果をわかりやすく概念的に示した図である。ここで、相対光量比は回動角度を２度ごとにシミュレーションを行って得た。縦軸は、液晶ライトバルブ２上に照射される光の相対光量比を示す。横軸は、図２の場合における開口面積最大時の回動角度を９０°として、開口面積を絞るにつれて角度が小さくなると定義した遮光体９Ｌ、９Ｒの回動角度を示す。なお、図７および以下の図８、図９においては、１００％信号時における相対光量比を示し、光量調整機構９、１９の特性のみを示している。
【００３６】
遮光体９Ｌ、９Ｒの回動角度を９０°〜０°の範囲に制御することによって、相対光量比を１００％〜０％の範囲で調整できる。しかし、回動角度４０°近傍で極点４０ｃが現れていることから、本実施の形態における遮光体９Ｌ、９Ｒでは、回動角度の制御範囲は９０°〜４０°の範囲に限られることになる。この場合、相対光量比は１００％〜１３％の範囲でしか変化させることはできない。しかし、投射型表示装置では、液晶ライトバルブに照射する相対光量比は通常１５％〜１００％の範囲であり、液晶ライトバルブ２に入射する光を完全に遮光する必要はない。したがって、本実施の形態における遮光体９Ｌ、９Ｒを用いることによって、光量調整機構９は十分に光量調整の機能を果たすことができる。
【００３７】
なお、各遮光体９Ｌ、９Ｒの面積を変化させることにより、極点４０ｃの位置を変化させることが可能となる。例えば、１０％〜１００％まで、相対光量比を調整する場合、各遮光体９Ｌ、９Ｒの面積を図２より大きくすれば良い。ただし、図２の領域１０ａおよび１０ｃを遮光しない形状が好ましい。
【００３８】
一方、図８に示すのは、図６に示す従来の遮光体１９Ｔ、１９Ｂを用いたときの遮光体１９Ｔ、１９Ｂの回動角度範囲を０〜９０度とした場合の回動角度に対する相対光量の変化のシミュレーション結果をわかりやすく概念的に示した図である。ここでも、相対光量比は回動角度を２度ごとにシミュレーションを行って得た。縦軸は、液晶ライトバルブ２上に照射される光の相対光量比を示す。横軸は、図６の場合における開口面積最大（図６（ｂ）における３６の位置）の回動角度を９０°として、開口面積を絞るにつれて角度が小さくなると定義した遮光体１９Ｔ、１９Ｂの回動角度を示す。
【００３９】
遮光体１９Ｔ、１９Ｂの回動角度を９０°〜０°の範囲に制御することによって、相対光量比を１００％〜０％の範囲で調整できる。しかし、回動角度の変化に対して平坦部が４箇所存在し、滑らかな曲線ではないことが確認できる。
【００４０】
ここで、本実施の形態における遮光体９Ｌ、９Ｒを用いた光量調整と、従来の遮光体１９Ｌ、１９Ｒを用いた光量調整の違いを比較するため、回動角度の範囲を両者の制御可能範囲に合わせたのが図９である。図において、縦軸は、液晶ライトバルブ２上に照射される光の相対光量比を示す。横軸は、下側の数値軸が遮光体９Ｌ、９Ｒの回動角度（曲線４０対応）、上側の数値軸が遮光体１９Ｔ、１９Ｂの回動角度（曲線４１対応）を示す。
【００４１】
本実施の形態における光量調整機構９では、図７における極点４０ｃ位置（４０°）近傍を最小相対光量比が得られる回動角度に設定しているため、相対光量比が３０％以下になる領域（回動角度５０°以下）において、遮光体９Ｌ、９Ｒの回動角度の変化に対する相対光量比の変化が緩やかになっている。このため、特に、微妙な明暗を表現したい３０％以下の低階調において、細かな光量調整を行うことが可能となることが確認できる。３０％以下の低階調では、人間の目視による相対光量比の変化の感度が特に高いので、この領域における光量調整を細かく行えるか否かは映像表示技術にとって重要である。つまり、３０％以下の低階調において、細やかな制御が可能となる本実施の形態は、映像表示技術にとっても好ましい効果を生ずる。
【００４２】
一方、従来の遮光体１９Ｔ、１９Ｂを用いた光量調整では、３０％以下の低階調（回動角度４５°以下）において、平坦部を有し、特に２０％以下において急激に相対光量比が変化するので、微妙な光量調整が困難であることがわかる。
【００４３】
また、本実施の形態における光量調整機構９では、相対光量比を１５％〜１００％の間まで変化させるための遮光体９Ｌ、９Ｒの回動角度範囲は約５０度であり、従来技術における約７０度と比較して応答性の高い制御が可能となる。さらに、各遮光体９Ｌ、９Ｒのサイズを図２のように、第２のレンズアレイ４ｂの１／２とすることにより、各遮光体９Ｌ、９Ｒが重なり合う場合において、光量の少ない周縁部のレンズセル４ｂｃが開口部／遮光部と変化することにより、より光量変化を細かく調整することが可能となる。なお、各遮光体９Ｌ、９Ｒのサイズを変化させることにより、光量調整特性（図７の曲線４０）を変化させることは可能である。
【００４４】
さらに、従来の遮光体１９Ｔ、１９Ｂを用いた場合の曲線４１は、回動角度の変化に対する平坦部が数箇所存在し、滑らかな曲線ではない。しかし、本実施の形態１にける遮光体９Ｌ、９Ｒを用いた場合の曲線４０は、概ね滑らかな曲線を示している。これは、インテグレータレンズ４の光学特性に起因する。
【００４５】
図１０に第２のレンズアレイ４ｂ近傍の第２光源像の一例を示す。２５６階調のグレースケールで表している。６１、６２、６３、６４は＋ｙ方向の光源像間を示し、暗い部分である。つまり、従来の遮光体１９Ｔ、１９Ｂを用いた光量調整機構における、図８の曲線４１の４箇所の平坦部は、図１０における上半部および下半部のｙ軸方向に光源像間が４箇所存在し、光源像間の暗部の影響であることが確認できる。
【００４６】
つまり、回動角度に対して滑らかに光量を減少させていくためには、明部と暗部を同時に横切るように遮光する必要があることがわかる。しかし、従来の遮光体１９Ｔ、１９Ｂを用いた場合、遮光体の端部１９Ｔｅ、１９Ｂｅはｘ軸に平行であり、かつｙ軸に平行に移動するので、暗部のみあるいは明部のみを横切る場合があり、光量が非連続的に変化してしまう。したがって、レンズセル４ｂｃの分割方向と同じｘ軸または、ｙ軸に沿って遮光体を移動させる場合、明部と暗部を同時に横切るように遮光するためには、突出側の辺部に少なくとも１つの曲線部を形成する必要が生じる。
【００４７】
しかし、本実施の形態では、遮光体９Ｌ、９Ｒが光軸Ｃに平行で点対称の位置に設けた回動軸９ａＬ、９ａＲを中心に、インテグレータレンズ４の出射面に平行な面（ｘｙ平面）内で回動する。そのため、図２のように、遮光体９Ｌ、９Ｒの端部９Ｌｅ、９Ｒｅのｘｙ平面内での角度が光量調整に伴って変化し、しかも端部９Ｌｅ、９Ｒｅは明部と暗部両方に接することになり、遮光体９Ｌ、９Ｒが移動する際に、明部と暗部を同時に横切るように遮光することにより、連続的に光量を減少させることが可能となる。したがって、光量を連続的に調整するために、従来の遮光体のように、突出側の辺部９Ｌｅ、９Ｒｅを曲線状に形成する必要が無い。
【００４８】
さらに、偏光変換素子５を設けたことにより、インテグレータレンズ４から出射した光は、図３に示すように偏光分離膜５ａにのみ入射し、反射膜５ｂの位置は遮光する。従って、偏光変換素子５を出射する光は、偏光分離膜５ａに入射して偏光変換された光と、反射膜５ｂで反射した光となって、コンデンサレンズ６に入射するため、図１０のｘ方向の第２光源像の数が倍、つまり１行あたり１２個の第２光源像がコンデンサレンズ６に入射することとなる。従って、偏光変換素子５とコンデンサレンズ６の間に遮光体９Ｌ、９Ｒを配置すれば、さらに滑らかに光量を調整することが可能となる。
【００４９】
以上より、本実施の形態１によれば、光源系３からの光を複数の部分光束に分割して出射する光学素子４と、前記複数の部分光束を液晶ライトバルブ２上で重畳されるように集光する集光素子６と、光源系３と集光素子６との間の光路上に配置され、前記光路上で開口面積を変化させて液晶ライトバルブ２に照射される光量を調整する光量調整機構９とを備え、液晶ライトバルブ２の入射面の法線に対する前記部分光束の角度を入射角度と定義すると、光量調整機構９は、前記複数の部分光束のうち、前記入射角度が最大となる部分光束が液晶ライトバルブ２に照射されるように前記開口面積を変化させるように構成したので、光量調整の際、液晶ライトバルブ２に対して最大入射角度をなす部分光束が常に照射されることになり、液晶ライトバルブ２に入射される部分光束の最大入射角度が変化せず、色変化を生ずることなくコントラストの高い低階調の映像を表示することができる照明光学系１および投射型表示装置１１を得ることができる。
【００５０】
とくに、光学素子４は、複数の第１のレンズセル４ａｃが縦横に配列され、光源系３から発せられた光を各第１のレンズセル４ａｃにより分割する第１のレンズアレイ４ａと、各第１のレンズセル４ａｃに対応する複数の第２のレンズセル４ｂｃが縦横に配列され、方形の出射面を形成する第２のレンズアレイ４ｂとを有し、前記各部分光束を各第２のレンズセル４ｂｃから出射するインテグレータレンズ４であり、光量調整機構９は、第２のレンズアレイ４ｂの４隅に位置する第２のレンズセル４ｂｃｆのうち、少なくともひとつの第２のレンズセル４ｂｃｆからの部分光束が液晶ライトバルブ２に照射されるように前記開口面積を変化させるので、光量調整の際、液晶ライトバルブ２に対して最大入射角度をなす４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆからの部分光束が常に照射されることになり、液晶ライトバルブ２に入射される部分光束の最大入射角度が変化せず、色変化を生ずることなくコントラストの高い低階調の映像を表示することができる照明光学系１および投射型表示装置１１を得ることができる。
【００５１】
また、光量調整機構９は、前記光路の光軸Ｃに対して点対称となるように設置された少なくとも一対の遮光体９Ｌ、９Ｒを有し、各遮光体９Ｌ、９Ｒは、光軸Ｃに対して点対称に配置され、光軸Ｃと平行な回動軸９ａＬ、９ａＲを中心に互いに同一方向に回動することにより開口面積を変化させるので、端部９Ｌｅ、９Ｒｅを製作が容易な直線で形成しても、光量を滑らかに調整でき、さらに低階調時において細かく光量を調整することができる。
【００５２】
さらに、光量調整機構９は、開口面積を変化させるための遮光体９Ｌ、９Ｒを、第１のレンズアレイ４ａと第２のレンズアレイ４ｂとの間であって、第１のレンズアレイ４ａよりも第２のレンズアレイ４ｂに近い側に配置しているので、遮光体９Ｌ、９Ｒに起因する照度むらをより効率的に低減することができる。
【００５３】
あるいは、開口面積を変化させるための遮光体９Ｌ、９Ｒを、光学素子４の出射面とコンデンサレンズ６との間に配置することにより、遮光体９Ｌ、９Ｒに起因する照度むらをより効率的に低減することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態１においては、光源３ａとして高圧水銀ランプを用いているが、ハロゲンランプ、キセノンランプでもよく、発光デバイスであればどのようなものでもかまわない。例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、レーザ、ＥＬ（Electro-Luminescence）、無電極放電ランプでもかまわない。
【００５５】
さらに、液晶ライトバルブ２については、液晶を用いているものであれば、本実施の形態による光量調整の際の色変化を低減する効果が得られる。
【００５６】
また、液晶ライトバルブ以外のライトバルブを使用した場合であっても、光量調整を滑らかに行う効果を得ることは可能である。
【００５７】
実施の形態２．
上記の実施の形態１の照明光学系では、遮光体を回動させることによって開口面積を変化させる光量調整機構に関して述べたが、本実施の形態では、遮光体を平行移動させるいわゆるシャッタによる光量調整機構に関して述べる。本実施の形態２における他の部分は、上記の実施の形態１と同様に構成されている。従って、光量調整機構に関してのみ説明する。
【００５８】
図１１〜図１３は、本発明の実施の形態２に係る照明光学系２１および投射型表示装置３１を示すもので、図１１はその全体構成を示す図、図１２は光量調整機構２９の部分構成を示す図、図１３は本実施の形態における光量調整機構２９の特性を示すための図である。
【００５９】
図１１において、光量調整機構２９は、第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂの間に配置されたシャッタ機構２９ａと、液晶ライトバルブ２に入力される映像信号を検知しその検知結果から相対光量比を算出する信号検知部２９ｂと、信号検知部２９ｂにより算出された相対光量比に基づき遮光体であるシャッタ２９Ｌ、２９Ｒを開閉するようシャッタ機構２９ａを制御するシャッタ制御部２９ｃとを備えている。
【００６０】
次に動作について、光量調整機構２９の詳細な説明とともに説明する。
図１２において、光量調整機構２９のシャッタ２９Ｌ、２９Ｒおよびシャッタ機構２９ａ（図ではシャッタ２９Ｌ、２９Ｒのみ記載）の構成を第２のレンズアレイ４ｂとの位置関係により示すものである。シャッタのうち、第２のレンズアレイ４ｂに対して＋ｘ方向（左側）に位置する方をシャッタ２９Ｌ、第２のレンズアレイ４ｂに対して−ｘ方向（右側）に位置する方を２９Ｒとする。シャッタ機構２９ａは、シャッタ制御部２９ｃの指令により、シャッタ２９Ｌ、２９Ｒを光軸Ｃを挟むようにそれぞれ逆方向にｘ軸に平行移動し、光路上への突出量に応じて光（液晶ライトバルブ２に照射される光）の光量を調整する一対のシャッタ２９Ｌ、２９Ｒを有する。各シャッタ２９Ｌ、２９Ｒにおける突出方向側の端部２９Ｌｅ、２９Ｒｅには、光軸Ｃ側から見た投影面において曲線を形成する曲線部２９ｇが互いに対称に形成されている。曲線部２９ｇの形状としては、特に限定されないが、例えば、凹状曲線形状、略放物線形状または略半楕円形状が光軸Ｃに対して対称に形成される。
【００６１】
また、各遮光体２９Ｌ、２９Ｒのｙ方向の長さｄｖ１は第２のレンズアレイ４ｂのｙ方向長さより２レンズセル分短い。従って、光量調整時は、常に領域９０ａおよび領域９０ｂは開口部となることとなる。
【００６２】
領域９０ａおよび領域９０ｂを常に開口部とすることにより、第２のレンズアレイ４ｂ中心から最長距離に位置するレンズセル４ｂｃが開口部となるため、液晶ライトバルブ２への最大入射角度は常に一定となる。そのため、液晶ライトバルブ２の入射特性の影響を受けにくくなり、光量調整時にスクリーン上の映像の色変化を低減することが可能となる。
【００６３】
図１３は、シャッタ機構２９ａにおけるシャッタ２９Ｌ、２９Ｒの移動量と相対光量比の変化のシミュレーション結果をわかりやすく概念的に示した図である。ここで、横軸は、シャッタ２９Ｌ、２９Ｒの平行移動量を第２のレンズアレイ４ｂにおける各レンズセルのｘ方向の長さを単位として、約０．２セル分ごとに移動させたステップ数（１ステップは約０．２セル）を示す。縦軸は、ライトバルブ２上に照射される光の相対光量比を示す。なお、図１３においては、１００％信号時における相対光量比を示し、光量調整機構２９の特性のみを示している。
【００６４】
各シャッタ２９Ｌ、２９Ｒの端部２９Ｌｅ、２９Ｒｅに図１２のように曲線部２９ｇを形成することにより、２９Ｌｅ、２９Ｒｅは光量調整のどの段階においても明部と暗部両方に接することになり、移動時に明部と暗部両方を横切るように遮光することになる。そのため、図１３に示すように、曲線１００は概ね滑らかで連続的となり、光量を滑らかに調整できることが確認できる。
【００６５】
また、各シャッタ２９Ｌ、２９Ｒを第１のレンズアレイ４ａと第２のレンズアレイ４ｂの間で、かつ第２のレンズアレイ４ｂ付近に配置することにより、液晶ライトバルブ２上で照度むらが観察されなくなる。ここで、第１のレンズアレイ４ａ近傍は、液晶ライトバルブ２と共役関係にあり、第１のレンズアレイ４ａ近傍に各遮光体２９Ｌ、２９Ｒを配置すると、各シャッタ２９Ｌ、２９Ｒの辺部２９Ｌｅ、２９Ｒｅが液晶ライトバルブ２上に結像することとなり、照度むらを招く。
【００６６】
なお、本実施の形態では、ｘ方向に各シャッタ２９Ｌ、２９Ｒが突出・退避する場合について述べたが、ｙ方向に各シャッタが突出・退避しても同様の効果が得られる。その場合は、第２のレンズアレイ４ｂの周縁に位置するｘ方向のレンズセル４ｂｃを開口部とする必要がある。
【００６７】
また、各シャッタ２９Ｌ、２９Ｒの端部２９Ｌｅ、２９Ｒｅに曲線部２９ｇを形成しない場合は、実施の形態１の図２に示されるように、各シャッタの端部が第２のレンズアレイ４ｂのレンズセル４ｂｃの分割線に対して角度を有して横切るようにしていくことにより、概ね滑らかに光量を調整することが可能となる。例えば、移動方向をｘｙ平面において斜めに設定する場合などである。
【００６８】
以上より、本実施の形態２によれば、光量調整機構２９は、第２のレンズアレイ４ｂが形成する方形の出射面におけるいずれかの辺に対して平行で、かつ前記光路の光軸Ｃを挟むようにして逆方向に移動する少なくとも一対の遮光体２９Ｌ、２９Ｒを有し、各遮光体２９Ｌ、２９Ｒは、前記出射面の前記辺および前記辺に対向する辺に接する第２のレンズセル９０ａ、９０ｂから出射される部分光束が液晶ライトバルブ２に照射しているように、前記開口面積を変化させるように構成したので、光量調整の際、液晶ライトバルブ２に対して最大入射角度をなす部分光束を出射する４隅に位置するレンズセル４ｂｃｆを含むレンズセル９０ａ、９０ｂからの部分光束が常に照射されることになり、液晶ライトバルブ２に入射される部分光束の最大入射角度が変化せず、色変化を生ずることなくコントラストの高い低階調の映像を表示することができる照明光学系および投射型表示装置を得ることができる。
【００６９】
とくに、各遮光体２９Ｌ、２９Ｒは、光軸Ｃに対向する端部２９Ｌｅ、２９Ｒｅに光軸Ｃに対して対称に形成された曲線部２９ｇを有しているので、光量調整時に明部と暗部両方を横切るように遮光することになり、光量を滑らかに調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる投射型表示装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる投射型表示装置の光量調整機構の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる投射型表示装置の偏光変換素子の構成を示す図である。
【図４】液晶ライトバルブの特性を説明するための図である。
【図５】色度図である。
【図６】従来の投射型表示装置の光量調整機構の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる投射型表示装置の特性を示す図である。
【図８】従来の投射型表示装置の特性を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１にかかる投射型表示装置の特性を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる投射型表示装置の特性を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２にかかる投射型表示装置の全体構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる投射型表示装置の光量調整機構の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２にかかる投射型表示装置の特性を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  照明光学系、  ２  液晶ライトバルブ、  ３  光源系（光源）  、３ａ  光源、  ３ｂ  反射鏡、  ４  インテグレータレンズ（光学素子）、  ４ａ  第１のレンズアレイ、  ４ｂ  第２のレンズアレイ、  ４ａｃ  第１のレンズアレイのレンズセル、  ４ｂｃ  第２のレンズアレイのレンズセル、  ４ｂｃｆ  インテグレータレンズの出射面の４隅に接する第２のレンズセル、  ５  偏光変換素子、  ６  コンデンサレンズ（集光素子）、  ７  フィールドレンズ、  ８  偏光板、  ９  光量調整機構、  ９ａ  回動機構、  ９ａＬ，９ａＲ  回動軸、  ９Ｌ，９Ｒ  遮光体、  ９Ｌｅ，９Ｒｅ  辺部、  ９ｂ  信号検知部、  ９ｃ  回動制御部  、１０  投射光学系、  １１投射型表示装置、
２１  照明光学系、  ２９  光量調整機構、  ２９ａ  シャッタ機構、  ２９ａＬ，２９ａＲ  回動軸、  ２９Ｌ，２９Ｒ  シャッタ（遮光体）、  ２９Ｌｅ，２９Ｒｅ  辺部、  ２９ｇ  曲線部、  ２９ｂ  信号検知部、  ２９ｃ  シャッタ制御部  、  ３１  投射型表示装置、  ９０ａ，９０ｂ  インテグレータレンズの出射面の一辺およびその辺に対向する辺に接する第２のレンズセル、
【図１】
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【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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