JP2006243477A - 画像表示装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトな構成で鮮明な画像を得ることができる画像表示装置及びプロジェクタを提供すること。
【解決手段】 光源１０から射出された光を変調する第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂと、該第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂと光路上に直列に配置され、第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂから出射する光を変調する第２光変調素子１００と、第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂの光学像を第２光変調素子１００の受光面に結像させるとともに、第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂから射出された光の光路を分離する光路分離素子９３と該光路分離素子９３から射出された光を反射部９１に導く少なくとも１枚のレンズとを有するリレー光学手段９０とを備え、少なくとも１枚のレンズの前側焦点面に第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂが配置され、少なくとも１枚のレンズの後側焦点面に反射部９１が配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像表示装置の画質改善技術、特に表示輝度のダイナミックレンジの拡大と高階調化を実現するのに適した光学構成に関する。

近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ（Electro-luminescence）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の電子ディスプレイ装置における画質改善は目覚しく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能を有する装置が実現されつつある。しかし、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は１〜１０^２［nit］程度の範囲であり、また階調数は８ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジの範囲が１０^−２〜１０^４［nit］程度あり、また輝度弁別能力は０．２［nit］でこれを階調数に換算すると１２ビット相当といわれている。このような視覚特性を経由して現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため、表示画像のリアリティや迫力に対して物足りなさを感じることになる。

また、映画やゲーム等で使用されるＣＧ（Computer Graphics）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を表示データ（以下、ＨＤＲ（High Dynamic Range）表示データという。）に持たせて描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。しかしそれを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているために、ＣＧコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。

さらに、次期ＯＳ（Operating System）においては、１６ビット色空間の採用が予定されており、現在の８ビット色空間と比較してダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大する。そのため、１６ビット色空間を生かすことができる高ダイナミックレンジ・高階調の電子ディスプレイ装置実現への要求が高まると予想される。

ディスプレイ装置の中でも、液晶プロジェクタや、ＤＬＰ（Digital Light Processing、商標）プロジェクタといった投射型表示装置（プロジェクタ）は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティや迫力を再現する上で効果的なディスプレイ装置である。この分野では上記の課題を解決するために、以下に述べる提案がなされている。

高ダイナミックレンジのディスプレイ装置としては、例えば、特許文献１に開示されている技術があり、光源と、光の全波長領域の輝度を変調する第２光変調素子と、光の波長領域のうちＲＧＢ３原色の各波長領域についてその波長領域の輝度を変調する第１光変調素子とを備え、光源からの光を第２光変調素子で変調して所望の輝度分布を形成し、その光学像を第１光変調素子の表示面に結像して色変調し、２次変調した光を投射するというものである。第２光変調素子及び第１光変調素子の各画素は、ＨＤＲ表示データから決定される第１制御値及び第２制御値に基づいてそれぞれ別個に制御される。光変調素子としては、透過率が独立に制御可能な画素構造またはセグメント構造を有し、二次元的な透過率分布を制御し得る透過型変調素子が用いられる。その代表例としては、液晶ライトバルブがあげられる。また、透過型変調素子の代わりに反射型変調素子を用いてもよく、その代表例としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子があげられる。

いま、暗表示の透過率が０．２％、明表示の透過率が６０％の光変調素子を使用する場合を考える。光変調素子単体では、輝度ダイナミックレンジは、６０／０．２＝３００となる。上記ディスプレイ装置は、輝度ダイナミックレンジが３００の光変調素子を光学的に直列に配置することに相当するので、３００×３００＝９００００の輝度ダイナミックレンジを実現することができる。また、階調数についてもこれと同等の考えが成り立ち、８ビット階調の光変調素子を光学的に直列に配置することにより、８ビットを超える階調数を得ることができる。

また、光源から射出された出射光束を第１光変調素子（第１透過型液晶ライトバルブ）で変調して所望の照明光量分布を形成し、この照明光量分布をリレーレンズにより第２光変調素子上に伝達し、第２光変調素子（第２透過型液晶ライトバルブ）に照明させる高ダイナミックレンジのディスプレイ装置も提案されている。
特表２００４−５２３００１号公報

上述のように、リレーレンズを用いた高ダイナミックレンジのディスプレイ装置において、リレーレンズは、投射型表示装置の充分な光束を確保するためのＦナンバー（Ｆ値）２程度の明るさ、透過型液晶ライトバルブの画素単位の光量分布を伝達するための１０μｍ程度の解像能力、液晶の視覚依存性による画質劣化を回避するための両側テレセントリック特性、といった性能を満足することが必須となる。この両側テレセントリック特性を有するリレーレンズの光学系としては、第１光変調素子側から順に、前段レンズ群、開口絞り、後段レンズ群が光軸上に配置された光学系となっている。

しかしながら、第１，第２光変調素子として対角１インチ程度の画面サイズのものを使用した場合、上述した性能を兼ね備えるリレーレンズは、レンズ長が２００ｍｍ以上、共役長が３００ｍｍ以上と長いものになってしまい、その結果、画像表示装置が大型化してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、コンパクトな構成で鮮明な画像を得ることができる画像表示装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の画像表示装置は、表示画像データに基づいて光源からの光を変調して画像を表示する画像表示装置であって、前記光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、該第１光変調素子と光路上に直列に配置され、前記第１光変調素子から出射する光を変調する第２光変調素子と、反射部と、前記第１光変調素子から射出された光を前記反射部に導く少なくとも１枚のレンズと、前記第１光変調素子から射出された光と前記反射部から反射された光との光路を分離する光路分離素子とを有するとともに、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像させるリレー光学手段とを備え、前記少なくとも１枚のレンズの前側焦点面に前記第１光変調素子が配置され、前記少なくとも１枚のレンズの後側焦点面に前記反射部が配置されていることを特徴とする。

本発明に係る画像表示装置では、第１光変調素子から射出された光がリレー光学手段の光路分離素子に入射する。光路分離素子を通過した光は、レンズにより反射部に導かれ、反射部に到達し、反射部によりレンズに向かって反射される。再びレンズを通過し、光路分離素子に向かった光は、第２光変調素子に向かって射出する。このとき、レンズが前段レンズ群及び後段レンズ群を兼ねるので、従来のように、前段レンズ群，開口絞り，後段レンズ群を順に光軸上に配置する光学系に比べ、光軸方向の長さを短くすることができる。すなわち、従来の開口絞り位置に反射部を配置し、リレー光学手段に入射した光を反射部により折り返す構成にしているので、リレー光学手段のレンズ長を短くすることができ、装置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。さらに、レンズの前側焦点面に第１光変調素子が配置され、レンズの後側焦点面に反射部が配置されることで、両側テレセントリック性能も確保できる。

また、本発明の画像表示装置は、前記光路分離素子が、前記光源から射出された光のうち特定の振動方向の偏光光を透過させ、前記特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光を反射させる偏光ビームスプリッタであり、該偏光ビームスプリッタと前記反射部との間の光路上に１／４波長板が設けられていることが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、第１光変調素子から射出された特定の振動方向の偏光光は、偏光ビームスプリッタを透過し、レンズにより反射部に導かれ、反射部に到達し、反射部によりレンズに向かって反射される。再びレンズを通過し、偏光ビームスプリッタに向かった光は、偏光ビームスプリッタと反射部との間に設けられた１／４波長板により、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光に変換され、第２光変調素子に向かって反射される。このように、偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板により、リレー光学手段に入射する光の偏光方向とリレー光学手段から射出する光の偏光方向とを異ならせることができるため、リレー光学手段に入射する光と射出する光とを同一光路となるように、リレー光学手段を配置することが可能となる。したがって、レンズを効率的に活用できるので、さらに、装置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。

本発明の画像表示装置は、表示画像データに基づいて光源からの光を変調して画像を表示する画像表示装置であって、前記光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、該第１光変調素子と光路上に直列に配置され、前記第１光変調素子から出射する光を変調する第２光変調素子と、反射部と、前記第１光変調素子から射出された光を前記反射部に導く少なくとも１枚のレンズとを有するとともに、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像させるリレー光学手段とを備え、前記少なくとも１枚のレンズの前側焦点面に前記第１光変調素子が配置され、前記レンズの後側焦点面に前記反射部が配置され、かつ、前記リレー光学手段に入射される光の光軸と、前記リレー光学手段から射出される光の光軸とが異なるように前記リレー光学手段を配置することを特徴とする。

本発明に係る画像表示装置では、第１光変調素子から射出された光はリレー光学手段に入射する。リレー光学手段に入射した光は、レンズにより反射部に導かれ、反射部に到達し、反射部によりレンズに向かって反射される。再びレンズを通過し、リレー光学手段から射出された光は、第２光変調素子に向かって反射される。このとき、リレー光学手段に入射した光を反射部により折り返す構成にしているので、レンズが従来の前段レンズ群及び後段レンズ群を兼ねるので、リレー光学手段のレンズ長を短くすることができ、装置全体のコンパクト化を図ることが可能となる。その上、リレー光学手段に入射させる光の光軸と、リレー光学手段から射出される光の光軸とが異なるようにリレー光学手段を配置しているため、リレー光学手段に入射する光の光路と射出する光の光路とが別々であるので、光路分離素子等の他の部材を用いて、リレー光学手段に入射する光とリレー光学手段から射出する光とを分離する必要がないため、入射した光を損失させることなく第２光変調素子に導くことができる。さらに、レンズの前側焦点面に第１光変調素子が配置され、レンズの後側焦点面に反射部が配置されることで、両側テレセントリック性能も確保できる。

本発明のプロジェクタは、上記の画像表示装置と、該画像表示装置から射出された光を投射する投射手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係るプロジェクタでは、画像表示装置により射出された画像が、投射手段によって投影される。上述したように、画像表示装置はコンパクトな構成であるため、プロジェクタの大型化を防止しながら、ダイナミックレンジの高い諧調特性に優れた表示画像を得ることができる。

以下、本発明の画像表示装置及びプロジェクタの実施形態について図を参照して説明する。
（プロジェクタの第１実施形態）
図１は、投射型液晶表示装置（プロジェクタ）ＰＪ１の主たる光学構成を示す図である。
プロジェクタＰＪ１は、光源１０と、光源１０から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明系２０と、均一照明系２０から入射した光の波長領域のうちのＲＧＢ３原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部２５（第１変調素子として青色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｂ，緑色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｇ，赤色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｒの３つの透過型液晶ライトバルブを含む）と、色変調部２５から入射した光をリレーするリレー光学手段９０と、リレー光学手段９０から入射した光の全波長領域の輝度を変調する第２変調素子としての透過型液晶ライトバルブ１００とを有する画像表示装置と、液晶ライトバルブ１００から入射した光をスクリーン１２０に投射する投射レンズ１１０とを備えて構成されている。
また、光源１０は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなるランプ１１と、ランプ１１からの射出光を反射・集光するリフレクタ１２とを備えている。

均一照明系２０は、フライアイレンズ等からなる第１，第２のレンズアレイ２１，２２と、偏光変換素子２３と、集光レンズ２４とを含んで構成されている。そして、光源１０から射出された光の輝度分布を第１，第２のレンズアレイ２１，２２により均一化し、第１，第２のレンズアレイ２１，２２を通過した光を偏光変換素子２３により色変調部の入射可能偏光方向に偏光し、偏光した光を集光レンズ２４により集光して色変調部２５に射出する。なお、偏光変換素子２３は、例えば、ＰＢＳアレイと、１／２波長板とで構成されており、ランダム偏光を特定の直線偏光に変換するものである。

色変調部２５は、光分離手段としての２つのダイクロイックミラー３０，３５と、３つのミラー（反射ミラー３６，４５，４６）と、５つのフィールドレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）と、３つの液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと、クロスダイクロイックプリズム８０と、を含んで構成されている。

ダイクロイックミラー３０，３５は、光源１０からの光（白色光）を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のＲＧＢ３原色光に分離（分光）するものである。ダイクロイックミラー３０は、ガラス板等にＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する性質のダイクロイック膜を形成したもので、光源１０からの白色光に対して、当該白色光に含まれるＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する。ダイクロイックミラー３５は、ガラス板等にＧ光を反射し、Ｂ光を透過する性質のダイクロイック膜を形成したもので、ダイクロイックミラー３０を透過したＧ光及びＢ光のうち、Ｇ光を反射して平行化レンズ５０Ｇに伝達し、青色光を透過してレンズ４１に伝達する。

リレーレンズ４２はレンズ４１近傍の光（光強度分布）を平行化レンズ５０Ｂ近傍に伝達するもので、レンズ４１はリレーレンズ４２に光を効率よく入射させる機能を有する。また、レンズ４１に入射したＢ光は、その強度分布をほぼ保存された状態で、かつ光損失を殆ど伴うことなく空間的に離れた液晶ライトバルブ６０Ｂに伝達される。

平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒは対応する液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する各色光を略平行化して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを透過した光を効率よくリレー光学手段９０に入射させる機能を有している。そして、ダイクロイックミラー３０，３５で分光されたＲＧＢ３原色の光は、上述したミラー（反射ミラー３６，４５，４６）及びレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）を介して液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する。

液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、画素電極及びこれを駆動するための薄膜トランジスタ素子や薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にＴＮ型液晶を挟み込むとともに、外面に偏光板を配置したアクティブマトリクス型の液晶表示素子である。

また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、電圧非印加状態で白／明（透過）状態、電圧印加状態で黒／暗（非透過）状態となるノーマリーホワイトモードまたはその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、与えられた制御値に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。液晶ライトバルブ６０Ｂは、入射されたＢ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｇは、入射されたＧ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｒは、入射されたＲ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。

クロスダイクロイックプリズム８０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造からなり、その内部には、Ｂ光を反射する誘電体多層膜（Ｂ光反射ダイクロイック膜８１）及びＲ光を反射する誘電体多層膜（Ｒ光反射ダイクロイック膜８２）が断面Ｘ字状に形成されている。そして、液晶ライトバルブ６０ＧからのＧ光を透過し、液晶ライトバルブ６０ＲからのＲ光と液晶ライトバルブ６０ＢからのＢ光とを折り曲げてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。

次に、リレー光学手段９０の構成を説明する。
リレー光学手段９０は、クロスダイクロイックプリズム８０で合成された液晶ライトバルブ（ここでは物体面として示す）６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの光学像（光強度分布）を液晶ライトバルブ（輝度変調ライトバルブ）１００の画素面（ここでは像面として示す）に結像させるものである。また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００の視野角特性を考慮して両側テレセントリック特性を有することが望ましい。

まず、一般的なリレー光学手段１３０について、図２を用いて説明する。一般的なリレー光学手段１３０は、図２に示すように、物体側から順に、前段レンズ群１３１、開口絞り１３２、後段レンズ群１３３が光軸上に配置された光学系となっている。また、前段レンズ群１３１の焦点位置と開口絞り１３２の位置と後段レンズ群１３３の物体側焦点位置とを一致させている。さらに、前段レンズ群１３１の物体側焦点位置に物体面を配置し、かつ、後段レンズ群１３３の像側焦点位置に像面を配置することにより構成されている。
前段レンズ群１３１及び後段レンズ群１３３は、複数の凸レンズ及び凹レンズを含んで構成されている。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔及び枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図２の例に限定されるものではない。
ところで、両側テレセントリックレンズの結像倍率が等倍もしくはそれに近い場合は、前段レンズ群１３１と後段レンズ群１３３との構成や配置位置は、開口絞り１３２に対してほぼ鏡面対称になるのが一般的である。

本発明のリレー光学手段９０では、図３に示すように、図２に示すリレー光学手段１３０の開口絞り１３２の位置に反射ミラー（反射部）９１が配置されている。なお、図３は説明を簡潔にするために、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒとリレーレンズ９２との間に配されたクロスダイクロイックプリズム８０，偏光ビームスプリッタ９３，λ／４板９４を省略して描いてあるが、光学的には図１の本発明の構成と等価なものである。

具体的には、リレー光学手段９０は、図４に示すように、液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂの光学像を液晶ライトバルブ１００の受光面に結像させるとともに、液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂから射出された光を分離する偏光ビームスプリッタ（光路分離素子）９３と、偏光ビームスプリッタ９３から射出された光を反射ミラー９１に導くリレーレンズ９２とを備えている。リレーレンズ９２は、上述した反射ミラー９１と、偏光ビームスプリッタ９３から射出された光を反射ミラー９１に集光させる複数の凸レンズ及び凹レンズを有するレンズ群（少なくとも１枚のレンズ）９５とを備えている。反射ミラー９１は、開口絞りとして機能するように、所定の大きさに設定されている。また、液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂから射出された光の光軸とリレーレンズ９２の光軸とは一致、すなわち図中に示す光軸Ｏとなっている。

また、リレーレンズ９２のレンズ群９５の前側焦点面に液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂが配置され、レンズ群９５の後側焦点面に反射ミラー９１が配置されている。ここで、前側焦点面とは、レンズ群９５の前側焦点を含む光軸Ｏに垂直な面であり、後側焦点面とは、レンズ群９５の後側焦点を含む光軸Ｏに垂直な面を示している。
この構成により、図３及び図４に示すように、物体面Ａ１からリレーレンズ９２に射出された光線は、レンズ群９５で屈折され、反射ミラー９１に入射した後レンズ群９５に向かって反射され、再びレンズ群９５において屈折され、物体面とほぼ同じ位置にある像面Ｂ１に結像される。この光路は、図２において、物体面のＡ点を射出した光線が、像面のＢ点に結像する光路とほぼ等価である。さらに、物体面Ａ１からリレーレンズ９２に射出される主光線およびリレーレンズ９２から像面Ｂ１に結像される主光線がいずれも光軸に平行である両側テレセントリック特性を実現することができる。

偏光ビームスプリッタ９３は、図４に示すように、クロスダイクロイックプリズム８０から射出された射出光を分離するとともに、射出光のうち特定の振動方向の偏光光を透過させ、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光を反射させる偏光分離面９３ａを有する立方体状となっている。また、偏光ビームスプリッタ９３と反射ミラー９１との間（本実施形態では、偏光ビームスプリッタ９３とレンズ群９５との間）にλ／４板（１／４波長板）９４が設けられている。λ／４板９４は、クロスダイクロイックプリズム８０あるいはレンズ群９５から射出された光の波長に対して１／４波長の位相差を発生させるものである。

また、偏光ビームスプリッタ９３は、図４に示すように、特定の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光光を透過し、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光を反射する。偏光分離面９３ａにおいて透過したｐ偏光光は、λ／４板９４を透過することにより円偏光に変換される。そして、λ／４板９４を透過した光は、レンズ群９５により反射ミラー９１に導かれる。そして、反射ミラー９１で反射されてレンズ群９５により集光された光は、λ／４板９４により、直線偏光であるｓ偏光光に変換される。これにより、他の振動方向の偏光光であるｓ偏光光は、偏光分離面９３ａにおいて反射することが可能となっている。ここで、偏光ビームスプリッタ９３の偏光分離面９３ａは、偏光ビームスプリッタ９３に入射したｓ偏光光が液晶ライトバルブ１００に入射するように傾斜して配置されている。
なお、本実施形態では、レンズ群９５として複数のレンズを有する構成にしたが、少なくとも１枚のレンズからなっていれば良い。

液晶ライトバルブ１００は、前述した液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと同等の構成からなり、入射した光の全波長領域の輝度を表示画像データに基づいて変調し、最終的な光学像を内包した変調光を投射レンズ１１０に射出する。

投射レンズ１１０は、液晶ライトバルブ１００の表示面上に形成された光学像をスクリーン１２０上に投射してカラー画像を表示する。
ここで、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００はいずれも透過光の強度を変調し、その変調度合いに応じた光学像を内包する点では同じであるが、後者の液晶ライトバルブ１００は全波長域の光（白色光）を変調するのに対して、前者の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは光分離手段であるダイクロイックミラー３０，３５で分光された特定波長領域の光（Ｒ，Ｇ，Ｂなどの色光）を変調する点で両者は異なっている。したがって、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで行われる光強度変調を色変調、液晶ライトバルブ１００で行われる光強度変調を輝度変調と便宜的に呼称して区別する。

また、同様の観点から、以下の説明では液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを色変調ライトバルブ、液晶ライトバルブ１００を輝度変調ライトバルブと呼称して区別する場合がある。

次に、以上の構成からなる本実施形態のプロジェクタＰＪ１を用いて、画像をスクリーン１２０に投射する方法について説明する。

まず、プロジェクタＰＪ１の全体的な光伝達の流れを説明する。光源１０から射出された白色光はダイクロイックミラー３０，３５により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色光に分光されるとともに、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒを含むレンズ及びミラーを介して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射される。液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射した各々の色光はそれぞれの波長領域に応じた外部データに基づいて色変調され、光学像を内包した変調光として射出される。液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒから射出された各変調光は、クロスダイクロイックプリズム８０に入射し、クロスダイクロイックプリズム８０において一つの光に合成される。

その後、クロスダイクロイックプリズム８０を射出した光線、例えば、ｐ偏光光は、偏光ビームスプリッタ９３の偏光分離面９３ａを透過し、λ／４板９４に入射する。ｐ偏光光はλ／４板９４で９０°の位相差が生じ、その結果、λ／４板９４を出射した光は右回りの円偏光となる。右回りの円偏光は、レンズ群９５で屈折された後、反射ミラー９１に入射し反射される。このとき、右回りの円偏光は１８０°の位相差が生じ、その結果、反射ミラー９１反射後は左回りの円偏光になる。左回りの円偏光は、再びレンズ群９５に入射し、屈折されλ／４板９４に入射し９０°の位相差を生じる。これにより、λ／４板９４を出射した後の光は、ｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ９３の偏光分離面９３ａにおいて反射され、リレー光学手段９０に入射する光の光軸と直交する方向に折り曲げられ、液晶ライトバルブ１００の画素面に結像する。

液晶ライトバルブ１００に入射した合成光は全波長域に応じた外部データに基づいて輝度変調され、最終的な光学像を内包した変調光として投射レンズ１１０へ射出される。そして、投射レンズ１１０において、液晶ライトバルブ１００からの最終的な合成光をスクリーン１２０上に投射し所望の画像を表示する。

次に、表示画像データに基づく色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブの変調の具体例について説明する。
プロジェクタＰＪ１（図１参照）では、映像信号から生成された色変調信号で色変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）を、輝度変調信号で輝度変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ１００）を駆動することにより、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現する。液晶ライトバルブの変調制御は、次に説明する表示制御装置によって行う。

図５は、表示制御装置２００のハードウエア構成を示すブロック図である。
表示制御装置２００は、図５に示すように、制御プログラムに基づいて演算及びシステム全体を制御するＣＰＵ１７０と、所定領域にあらかじめＣＰＵ１７０の制御プログラム等を格納しているＲＯＭ１７２と、ＲＯＭ１７２等から読み出したデータやＣＰＵ１７０の演算過程で必要な演算結果を格納するためのＲＡＭ１７４と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するＩ／Ｆ１７８とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス１７９で相互にかつデータ授受可能に接続されている。

Ｉ／Ｆ１７８には、外部装置として、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを駆動するライトバルブ駆動装置１８０と、データやテーブル等をファイルとして格納する記憶装置１８２と、外部のネットワーク１９９に接続するための信号線とが接続されている。

記憶装置１８２には、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを駆動するためのＨＤＲ表示データおよび制御値登録テーブルが記憶されている。

ＨＤＲ画像データは、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することが可能な画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素値を画像の全画素について格納している。本実施形態では、ＨＤＲ画像データとして、１つの画素についてＲＧＢ３原色ごとに輝度レベルを示す画素値を浮動小数点値として格納した形式を用いる。例えば、１つの画素の画素値として（1.2，5.4，2.3）という値が格納されている。また、格納する値としては、放射輝度（Radiance）や輝度（Luminance）等の物理的な輝度に関する値を格納しているのも特徴である。放射輝度に人間の視感特性をかけたものが輝度であるため、以後の説明では二つを区別せずに輝度と呼ぶ。

なお、ＨＤＲ画像データの生成方法の詳細については、例えば、「P.E.Debevec，J.Malik，"Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs"，Proceedingsof ACM SIGGRAPH97 ，pp.367-378(1997)」に掲載されている。

本実施形態に係るプロジェクタＰＪ１によれば、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで光学像（画像）を形成した変調光を用いて、最終的な表示画像を第２光変調素子としての液晶ライトバルブ１００で形成する形態を採用しており、直列に配置された２つの光変調素子（色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブ）を介して、２段階の画像形成過程によって光源１０からの光を変調する。なお、画像形成過程については、例えば、「Helge Seetzen, Lorne A. Whitehead “A High Dynamic Range Display Using Low and High Resolution Modulators”, SID Symposium 2003, pp.1450-1453(2003)」に掲載されている。その結果、プロジェクタＰＪ１は、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現することができる。

また、リレー光学手段９０に入射した光を反射ミラー９１により折り返す構成にしているので、従来の両側テレセントリックレンズ（前段レンズ群１３１及び後段レンズ群１３３）の光軸方向の長さを約半分ほど短くすることができる。したがって、リレー光学手段９０をコンパクトな構成にすることができるため、プロジェクタＰＪ１の大型化を抑制することが可能となる。

（プロジェクタの第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について、図６を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態において、上述した第１実施形態に係るプロジェクタＰＪ１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係るプロジェクタＰＪ２において、第２実施形態では、リレー光学手段１４０の構成及び配置において、第１実施形態と異なる。

リレー光学手段１４０は、第１実施形態と同様の反射ミラー１４１と、クロスダイクロイックプリズム８０から射出された光を反射ミラー１４１に集光させる複数の凸レンズ及び凹レンズを有するレンズ群（少なくとも１枚のレンズ）１４２とを備えている。このリレー光学手段１４０は、図７に示すように、リレー光学手段１４０に入射させる光の光軸（液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂから射出された光の光軸）Ｏと、リレー光学手段１４０から射出される光の光軸（輝度変調液晶ライトバルブ１００に向かう光の光軸）Ｌとが異なるように配置されている。本実施形態では、光の光軸０，Ｌがリレー光学手段１４０の光軸Ｐを挟んで対称位置になるように、リレー光学手段１４０が配置されている。
また、レンズ群１４２の前側焦点面に液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂおよび液晶ライトバルブ１００が配置され、レンズ群１４２の後側焦点面に反射ミラー１４１が配置されている。
また、プロジェクタＰＪ２は、図６に示すように、リレー光学手段１４０から射出された光を液晶ライトバルブ１００に入射させるための反射ミラー１４３を備えている。

次に、以上の構成からなる本実施形態のプロジェクタＰＪ２を用いて、画像をスクリーン１２０に投射する方法について説明する。

光源１０から射出された白色光は、第１実施形態と同様に、３原色光に分光され、クロスダイクロイックプリズム８０において一つの光に合成される。その後、クロスダイクロイックプリズム８０を射出した光線は、リレーレンズ１４０の光軸Ｐと異なる光軸Ｏからリレーレンズ１４０に入射する。リレーレンズ１４０に入射した光は、レンズ群１４２で屈折された後、反射ミラー１４１に入射される。そして、反射ミラー１４１において反射された光の光軸は、リレーレンズ１４０の光軸Ｐと異なる光軸Ｌとなり、再びレンズ群１４２に入射し屈折される。屈折された光は、液晶ライトバルブ１００の画素面に結像する。
液晶ライトバルブ１００に入射した合成光は、第１実施形態と同様にして、スクリーン１２０上に投射され所望の画像が表示される。

本実施形態に係るプロジェクタＰＪ１によれば、リレー光学手段１４０に入射させる光の光軸Ｏと、リレー光学手段１４０から射出される光の光軸Ｌとが異なるようにリレー光学手段１４０が配置されているため、色変調液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂと輝度変調液晶ライトバルブ１００とを空間的に分離した位置に配置することができる。すなわち、光路分離素子等の他の部材を設けて、リレー光学手段１４０に入射する光とリレー光学手段１４０から射出する光とを分離する必要がないため、部品数を増やす必要がないので、コストの低減を図ることが可能となる。このように、簡易な構成であるので、光源１０から射出された光を損失させることなく液晶ライトバルブ１００に導くことができるため、スクリーン１２０に投影される画像の画質が安定することになる。さらには、リレー光学手段１４０に入射した光を反射ミラー１４１により折り返す構成にしているので、コンパクトなプロジェクタＰＪ２を実現することが可能となる。
さらに、レンズ群１４２の前側焦点面に液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂおよび液晶ライトバルブ１００が配置され、レンズ群１４２の後側焦点面に反射ミラー１４１が配置されているので、液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂからリレーレンズ１４０に射出される主光線およびリレーレンズ１４０から液晶ライトバルブ１００に結像される主光線がいずれも光軸に平行である両側テレセントリック特性を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、第１実施形態において、光路分離素子９３としては、ワイヤグリッド型偏光素子を採用しても良い。このワイヤグリッド型偏光素子は、構造複屈折型偏光板の一種であり、透明基板上に形成された金属薄膜に、所定方向に延びる微細なリブ（図示略）が形成された構造を有している。この金属薄膜は、アルミニウムやタングステン等を用いて、蒸着法やスパッタ法によって形成することができる。また微細なリブは、２光束干渉露光法や、電子線描画法、Ｘ線リソグラフィー法等と、エッチングとを組み合わせることによって形成することができる。そして、この微細なリブのピッチは、反射すべき光の波長より短く形成されている。これにより、微細なリブと平行方向の直線偏光を透過し、垂直方向の直線偏光を反射することができるようになっている。このワイヤグリッド型偏光素子は、構造が単純なので容易に製造することができ、また、無機素材で構成されるため、極めて耐熱性に優れるとともに、光吸収をほとんど生じない。そして、各光変調素子の偏光板を省略してワイヤグリッド型偏光素子を用いることにより、画像表示装置の耐熱性を向上させることができる。その上、平板状の形状を有しているため、光路分離素子の占有スペースを多く必要としないので、画像表示装置のコンパクト化が図りやすくなる。

また、上記各実施形態では、３板式のプロジェクタを例にして説明したが、単板式のプロジェクタに本発明を適用することも可能である。この単板式のプロジェクタは、光源、均一照明系、第１光変調素子、リレーレンズ系、第２光変調素子および投射レンズを主として構成され、光源として白色光源を採用した場合には、第１光変調素子または第２光変調素子としての液晶ライトバルブにカラーフィルタが配設される。

また、投射型表示装置を例にして説明したが、直視型表示装置に本発明を適用することも可能である。この直視型表示装置では、第２変調素子上で変調された画像光を直接見ることとなる。直視型表示装置は、明るい場所での鑑賞に適するという利点がある。

また、色変調ライトバルブで色変調された光に対し、輝度変調ライトバルブにて輝度変調を行うように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを色変調ライトバルブより光源側に配置し、輝度変調ライトバルブで輝度変調された光に対し、色変調ライトバルブにて色変調を行うように構成することもできる。また、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを用いて光の輝度を２段階に変調するように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを２セット用いて光の輝度を２段階に変調するように構成することもできる。

また、上記実施形態では、光源１０として白色光を射出する単体の光源を用い、この白色光をＲＧＢの３原色の光に分光するようにしているが、これに限らず、ＲＧＢの３原色にそれぞれ対応した、赤色の光を射出する光源、青色の光を射出する光源及び緑色の光を射出する光源の３つの光源を用い、白色光を分光する手段を取り除いた構成としても良い。

また、上記実施形態では、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００としてアクティブマトリックス型の液晶表示素子を用いて構成したが、これに限らず、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００としてパッシブマトリックス型の液晶表示素子及びセグメント型の液晶表示素子を用いて構成することもできる。アクティブマトリックス型の液晶表示は、精密な階調表示ができるという利点があり、パッシブマトリックス型の液晶表示素子及びセグメント型の液晶表示素子は、安価に製造できるという利点を有する。

また、上記実施形態では、輝度変調ライトバルブまたは色変調ライトバルブを透過型の光変調素子である液晶パネルによって構成したが、これに限らず、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の反射型の光変調素子で構成することもできる。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクタを示す概略図である。 従来のリレーレンズの構成を示す図である。 図１のリレー光学手段の構成を示す図である。 図１のリレー光学手段の構成及びリレー光学手段を通過する光の偏光状態を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るプロジェクタに用いられる表示制御装置のハードウエア構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るプロジェクタを示す概略図である。 図６のリレー光学手段の構成を示す図である。

符号の説明

Ｌ…リレー光学手段から射出される光の光軸、Ｏ…リレー光学手段に入射される光の光軸、ＰＪ１，ＰＪ２…プロジェクタ、１０…光源、６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ…透過型液晶ライトバルブ（第１変調素子）、９０，１４０…リレー光学手段、９１…反射ミラー、９２…リレーレンズ、９３…偏光ビームスプリッタ（光路分離素子）、９４…λ／４板（１／４波長板）、９５，１４２…レンズ群（少なくとも１枚のレンズ）、１００…透過型液晶ライトバルブ（第２変調素子）、１１０…投射レンズ（投射手段）

Claims (4)

1. 表示画像データに基づいて光源からの光を変調して画像を表示する画像表示装置であって、
   前記光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、
   該第１光変調素子と光路上に直列に配置され、前記第１光変調素子から出射する光を変調する第２光変調素子と、
   反射部と、前記第１光変調素子から射出された光を前記反射部に導く少なくとも１枚のレンズと、前記第１光変調素子から射出された光と前記反射部から反射された光との光路を分離する光路分離素子とを有するとともに、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像させるリレー光学手段とを備え、
   前記少なくとも１枚のレンズの前側焦点面に前記第１光変調素子が配置され、前記少なくとも１枚のレンズの後側焦点面に前記反射部が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記光路分離素子が、前記光源から射出された光のうち特定の振動方向の偏光光を透過させ、前記特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光を反射させる偏光ビームスプリッタであり、該偏光ビームスプリッタと前記反射部との間の光路上に１／４波長板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 表示画像データに基づいて光源からの光を変調して画像を表示する画像表示装置であって、
   前記光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、
   該第１光変調素子と光路上に直列に配置され、前記第１光変調素子から出射する光を変調する第２光変調素子と、
   反射部と、前記第１光変調素子から射出された光を前記反射部に導く少なくとも１枚のレンズとを有するとともに、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像させるリレー光学手段とを備え、
   前記少なくとも１枚のレンズの前側焦点面に前記第１光変調素子が配置され、前記レンズの後側焦点面に前記反射部が配置され、かつ、前記リレー光学手段に入射される光の光軸と、前記リレー光学手段から射出される光の光軸とが異なるように前記リレー光学手段を配置することを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の画像表示装置と、
   該画像表示装置から射出された光を投射する投射手段とを備えることを特徴とするプロジェクタ。
   
   
   
   
   
   

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