JP4123193B2 - 画像表示装置、プロジェクタ、偏光補償光学系 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置の画質改善技術に関し、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率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、透過率変調素子の代わりに反射率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。
特開２００１−１００６８９号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術においては、光学収差が大きい照明光学系用の光学素子を用いて一方の光変調素子で形成した光学像を他方の光変調素子に伝達しているために、所望の光強度分布を有する照明光を上記他方の光変調素子上に正確に伝達することが困難であるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、輝度ダイナミックレンジの拡大と、表示画像の高画質化とを実現するのに好適な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。
また、本発明の別の目的は、輝度ダイナミックレンジの拡大が図られる画像表示装置に好ましく用いられる偏光補償光学系を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の装置は、表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、前記光源からの光を変調する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を変調する第２光変調素子と、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配され、光の偏光状態を補償する偏光補償光学系と、を備えることを特徴とする。

上記の画像表示装置では、光学的に直列に配置された２つの光変調素子を介して、２段階の画像形成過程によって光源からの光を変調する。その結果、この画像表示装置は、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。

上記の画像表示装置において、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間にリレーレンズが配されることにより、光学収差の低減が可能となる。つまり、第１光変調素子からの光を、第２光変調素子へと比較的高い精度で伝達できるので、従来に比べて第１光変調素子で変調された光学像が高い精度で第２光変調素子の一面に結像する。

ここで、第１光変調素子及び第２光変調素子が液晶装置（液晶ライトバルブ）からなる場合、正確なダイナミックレンジ拡大を実現するためには、第１光変調素子を通過した光はそのままの偏光状態で第２光変調素子に伝達される必要がある。しかし、偏光がリレーレンズ等の光学素子を通過する際、光学素子の光学面におけるＰ偏光とＳ偏光の透過率が異なるため、光学素子通過後の偏光の振動方向は入射偏光のそれからずれる（光の振動面の回転、偏光面回転）。また、リレーレンズでは、光学素子の光学面には透過率を上げるための反射防止膜が形成されているのが一般的であるものの、この反射防止膜に垂直でない入射角で偏光が入射した場合、膜内での多重干渉によってＰ偏光成分とＳ偏光成分との間の位相差が変化し入射偏光が楕円偏光化する（リターデーション）。同様に、光路上に他の光学素子が配されると、その光学素子によって同様な位相差の変化が生じる可能性がある。そして、これらの偏光状態の変化の総合的な結果として、表示画像に輝度低下や輝度むらが発生したり、表示画像の輝度や階調が本来の画像データとは異なる不正確な表示状態を生じるおそれがある。

これに対して、上記の画像表示装置では、偏光補償光学系を備えることから、第１光変調素子と第２光変調素子との間に光学素子が配される場合にも、本来所望の偏光状態を維持することができる。そのため、輝度低下や輝度むらが小さく、ダイナミックレンジの高い階調特性に優れた表示画像を得ることができる。

なお、光源としては、光を発生する媒体であればどのようなものを利用することもでき、例えば、ランプのような光学系に内蔵の光源であってもよいし、太陽や室内灯のような外界の光を利用したものであってもよい。

また、光源は、例えば、光の３原色であるＲＧＢの各色に対応した３つの光源を用いてもよいし、単体で白色光を射出するものなどどのようなものを用いてもよい。ただし、白色光の光源を用いた場合は、表示画像の色を表現するための光の３原色等を白色光から分離する光分離手段が必要となる。

上記の画像表示装置において、前記光源からの光を、異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段を備えるとき、前記偏光補償光学系は、前記複数の特定波長領域の光の各視感度に応じて偏光補償性能が設計されている、のが好ましい。

また、具体的には、例えば、前記偏光補償光学系は、前記複数の特定波長領域の光のうちの最も高い視感度の光に対して最も高い補償性能を発現するように設計されている、とよい。
例えば、前記複数の特定波長領域の光が、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）の各色に対応した３つの光である場合、前記偏光補償光学系は、前記３つの光のうちの緑光（Ｇ光）に対して最も高い補償性能を発現するように設計されている、とよい。
人間の視感度の最も高い波長領域の偏光変化を最小にすることにより、最も効果的に表示画質の改善を図ることができる。

また、具体的には、例えば、前記偏光補償光学系は、偏光補償機能を有する誘電体膜を含む、とよい。
誘電体膜により、主として偏光のリターデーションや振動面の回転（偏光面回転）を補償することが可能である。

また、具体的には、例えば、前記偏光補償光学系は、レクチファイアを含み、前記レクチファイアは、１／２波長板と屈折力の無いレンズとを含む、とよい。
レクチファイアにより、主として偏光の振動面の回転（偏光面回転）を補償することが可能である。

また、上記の画像表示装置において、前記第１光変調素子の光射出面側に配置される第１偏光板、または前記第２光変調素子の光入射面側に配置される第２偏光板のいずれか一方の偏光板を省いてもよい。
この構成によれば、偏光板の配置数が少なくなり、装置構成の簡素化や低コスト化がより図られる。

本発明の第２の装置は、プロジェクタであって、上記の画像表示装置と、投写手段と、を備えることを特徴とする。

上記のプロジェクタでは、輝度ダイナミックレンジの拡大や表示画像の高画質化に優れた画像表示装置を備えることから、大画面表示により、表示画像のリアリティや迫力を効果的に再現することができる。

本発明の第３の装置は、光の偏光状態を補償する光学系であって、光学的に直列配置された２つの光変調素子の間に配置される、ことを特徴とする。
具体的には、上記の偏光補償光学系は、偏光補償機能を有する誘電体膜とレクチファイアとの少なくとも一方を含む、とよい。

上記の偏光補償光学系は、輝度ダイナミックレンジの拡大や表示画像の高画質化が図られた画像表示装置に好ましく用いることができる。

以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
［プロジェクタの全体構成］
図１は、本発明の画像表示装置及び本発明のプロジェクタの実施の形態の一例であり、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、図１に示すように、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変調手段としての３つの透過型液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ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レンズ９０と、偏光補償光学系としてのレクチファイア９２と、リレーレンズ９０から入射した光の全波長領域の輝度を変調する第２変調手段としての透過型液晶ライトバルブ１００と、液晶ライトバルブ１００から入射した光をスクリーン（不図示）に投射する投射レンズ１１０と、を含んで構成されている。

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とを含んで構成されている。

均一照明系２０は、フライアイレンズ等からなる２つのレンズアレイ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からの光の輝度分布を２つのレンズアレイ２１，２２により均一化し、均一化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。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入射光の角度分布を狭め、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示特性を向上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）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。

リレーレンズ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６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの光学像（光強度分布）を液晶ライトバルブ１００の表示面上に伝達するものである。

図２は、リレーレンズ９０の構成を示す図である。
リレーレンズ９０は、各色変調用の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像を液晶ライトバルブ１００の画素面に結像するものであって、図２に示すように、開口絞り９１に対してほぼ対称に配置された前段レンズ群９０ａ及び後段レンズ群９０ｂからなる等倍結像レンズである。また、液晶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。前段レンズ群９０ａ及び後段レンズ群９０ｂ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に例に限定されるものではない。リレーレンズ９０は、多数枚のレンズから構成されるので、収差補正がよく、各色変調用の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで形成される輝度分布を正確に液晶ライトバルブ１００に伝達することができる。

図１に戻り、レクチファイア９２は、第１光変調素子である液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと第２光変調素子である液晶ライトバルブ１００との間で生じる偏光状態の変化を補償するものである。レクチファイア９２により、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと液晶ライトバルブ１００との間の光路上において、本来所望の偏光状態が維持される。レクチファイア９２の構成及びその機能については後で詳しく説明する。

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図示しないスクリーン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。そして、色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブに入力する制御データの内容については後ほど詳述する。なお、本実施形態では、色変調ライトバルブは輝度変調ライトバルブよりも高い解像度を有し、よって、色変調ライトバルブが表示解像度（プロジェクタＰＪ１の表示画像を観測者が見たときに観測者が知覚する解像度をいう。）を決定する場合を想定している。勿論、表示解像度の関係はこれに限定されず、輝度変調ライトバルブが表示解像度を決定する構成も可能である。

次に、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からの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からの各変調光は、それぞれクロスダイクロイックプリズム８０に入射し、そこで一つの光に合成され、リレーレンズ９０、レクチファイア９２を介して液晶ライトバルブ１００に入射される。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図示しないスクリーン上に投射し所望の画像を表示する。

このように、プロジェクタＰＪ１では、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。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、プロジェクタＰＪ１では、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及びクロスダイクロイックプリズム８０の後段に、リレーレンズ９０を介して第２光変調素子としての液晶ライトバルブ１００を配置したので、液晶ライトバルブ１００を、ダイクロイックミラー３０，３５と、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの前段に配置する従来の類似の光学系と比べて、２つの光変調素子間に配される光学素子の数が少なくなる。その結果、２つの光変調素子間の距離が比較的短くすることができ、これにより、伝達光の光学収差を低減し、結像（伝達）精度を向上することが可能となる。

ここで、正確なダイナミックレンジ拡大を実現するためには、第１光変調素子である液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを通過した光はそのままの偏光状態で第２光変調素子である液晶ライトバルブ１００に伝達される必要がある。そこで、プロジェクタＰＪ１では、前述したように、偏光補償光学系としてのレクチファイア９２により、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと液晶ライトバルブ１００との間の光路上において、本来所望の偏光状態を維持している。

［偏光補償光学系の構成と機能］
次に、図３〜図５を用いてレクチファイア９２（偏光補償光学系）の構成及び機能について詳しく説明する。
図３は、レクチファイアが無い場合に、色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｇ）を射出した偏光が輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）に入射するまでにどのように偏光状態が変化するかを概念的に示した説明図である。

なお、説明をわかりやすくするために、図３は、Ｇの色変調ライトバルブ６０Ｇの中央部を射出した偏光の変化についてのみ図示してあるが、Ｒ、Ｂの色変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｂ）や中央部以外の部位を射出した偏光についても定性的にはほぼ同等の変化が生じている。また、図中の偏光状態は定性的な説明をわかりやすくするために誇張して描いたものであり、実際の偏光状態の変化は図示した状態に比べると小さい。

図３の光学系の構成図に示すように、色変調ライトバルブ６０Ｇの射出側には射出側偏光板６１Ｇが配置され、輝度変調ライトバルブ１００の入射側には入射側偏光板９９が配置されており、これらの偏光透過軸はｙ軸方向を向いているものとする。射出側偏光板６１Ｇを射出した直後の光束の偏光状態を（ａ）に示す。この段階では光束断面内で偏光軸はすべてｙ軸と平行である。

次に、この光束はクロスダイクロイックプリズム８０のＲ光反射面、Ｂ光反射面を透過してクロスダイクロイックプリズム８０を射出する。Ｂ光反射面及びＲ光反射面には誘電体多層膜（Ｂ光反射ダイクロイック膜８１、Ｒ光反射ダイクロイック膜８２）が形成されているので、そこを透過する偏光光束のＰ偏光成分とＳ偏光成分にはリターデーションが発生し、直線偏光は楕円偏光化する。クロスダイクロイックプリズム８０射出直後の光束の偏光状態を（ｂ）に示す。なお、（ｂ）において、ｙ軸上及びｚ軸上の偏光に変化は生じない。これは、これらの軸上光線はＲ光反射面及びＢ光反射面に対して、Ｐ偏光成分もしくはＳ偏光成分のいずれか一方しか有さないためである。

次に、この光束はリレーレンズ９０を構成する各レンズ面を透過してリレーレンズ９０を射出する。リレーレンズ９０の各レンズ面ではＰ偏光成分とＳ偏光成分に透過率差が生じるため、偏光面が回転する（光の振動面の回転）。さらにリレーレンズ９０の各レンズ面には透過率を向上させるための誘電体多層膜からなる反射防止コート処理が施されているため、そこを透過する偏光光束のＰ偏光成分とＳ偏光成分にはリターデーションが発生し、楕円偏光の度合いがさらに大きくなる。リレーレンズ９０射出直後の光束の偏光状態を（ｃ）に示す。なお、（ｃ）においてｙ軸上及びｚ軸上の偏光に変化は生じない。これは、これらの軸上光線は各レンズ面に対して、Ｐ偏光成分もしくはＳ偏光成分のいずれか一方しか有さないためである。

（ｃ）の偏光状態の光束が入射側偏光板９９に入射すると、入射側偏光板９９はｙ軸方向の偏光しか透過しないので、本来所望の（ａ）の偏光状態の光束が入射する場合に比べて透過光量が減少する。さらに、光束が色変調ライトバルブ６０Ｇを射出する位置によって、（ｃ）の偏光状態に差が生じることから、色変調ライトバルブ６０Ｇの各部位ごとの透過光量に差が生じて輝度むらが生じる。

図４は、レクチファイア９２の概略構成図である。
レクチファイア９２は１／２波長板（λ／２板９３）と屈折力の無いレンズ９４から構成される。屈折力の無いレンズ９４は、一対の強い屈折面を持つ凸レンズ９４ａと凹レンズ９４ｂの組み合わせで構成される。λ／２板９３の機能は後述する。屈折力の無いレンズ９４は、透過光線のＰ偏光成分とＳ偏光成分に透過率差を生じさせ、偏光面を回転させることができる。その曲面の曲率半径、ガラス屈折率を調整することで、偏光の回転度合いを広範囲に調節することが可能である。さらに、λ／２板９３の表面や、屈折力の無いレンズ９４の各面に所望のリターデーションを発生する誘電体多層膜を形成することで、透過光線に所望のリターデーションを付与することができる。

図５は、レクチファイア９２を配置した場合に色変調ライトバルブ６０Ｇを射出した偏光が輝度変調ライトバルブ１００に入射するまでにどのように偏光状態が変化するかを概念的に示した説明図である。

（ｃ）はリレーレンズ９０射出直後の光束の偏光状態である。この偏光状態は図３で説明したように、クロスダイクロイックプリズム８０とリレーレンズ９０におけるリターデーションとリレーレンズ９０における偏光面回転作用により生じている。

いま、レクチファイア９２のλ／２板９３の光学軸はｙ軸方向に平行とすると、λ／２板９３透過後の光束の偏光状態は（ｄ）に示すようになり、（ｃ）の偏光状態に対して、楕円偏光の主軸が回転する。

屈折力の無いレンズ９４は、曲面の曲率半径、ガラス屈折率を調整することでリレーレンズ９０で生じる偏光面回転とほぼ同等の偏光面回転を生じるので、そこを透過した光束の偏光状態は、（ｅ）に示すように、楕円偏光の主軸がｙ軸に対してほぼ平行に戻る。

さらに、λ／２板９３、及び屈折力の無いレンズ９４の各面の少なくとも１面以上に形成された誘電体多層膜のリターデーションにより楕円偏光は直線偏光に戻る。

その結果、レクチファイア９２を射出した光束の偏光状態は（ｆ）に示すように、図３（ａ）の射出側偏光板６１Ｇ射出直後の偏光状態とほぼ同じ状態に戻り、レクチファイア９２を入れない場合に比べて透過光量の向上、輝度むらの低減を図ることが可能になる。

以上の説明はＧの色変調ライトバルブ６０Ｇを射出した偏光を例にとって説明したが、Ｒ，Ｂの色変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｂ）から射出された偏光についてもほぼ同等の説明が成り立つ。

ここで、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の射出偏光がクロスダイクロイックプリズム８０、リレーレンズ９０を透過することで生じる偏光変化は完全に同一ではない。クロスダイクロイックプリズム８０においては、Ｇ光はＲ光反射面及びＢ光反射面を透過する。Ｒ光はＲ光反射面で反射しＢ光反射面を透過する。Ｂ光はＲ光反射面を透過しＢ光反射面で反射する。したがって、各色光がＲ光反射面、Ｂ光反射面の誘電体多層膜（Ｒ光反射ダイクロイック膜８２、Ｂ光反射ダイクロイック膜８１）で受けるリターデーションは異なる。また、リレーレンズ９０においてはガラス屈折率の色分散により、偏光面の回転度合いが各色光ごとに異なる。以上の理由により、レクチファイア９２で、全波長域にわたって完全に偏光変化を元に戻すことは困難であり、それを実現するためには偏光補償光学系の大型化・複雑化・大幅なコストアップを招くおそれがある。

そこで、本例においては、人間の視感度の最も高いＧ光の偏光状態を最小にするようにレクチファイア９２を構成している。具体的には、Ｇ光の受けるリターデーション及び偏光面回転を最小にするように、レクチファイア９２の誘電体多層膜と屈折力の無いレンズ９４の曲率半径、ガラス材料を調整する。このようにすることで、偏光補償光学系（レクチファイア９２）の大型化・複雑化・コストアップを避けながらも最も効果的に表示画質の改善を図ることができる。なお、光源１０（図１参照）として超高圧水銀ランプ等の水銀ランプを使用する場合は、Ｇ光波長域で最も強度の高いｅ線（５４６．１ｎｍ）付近でリターデーション及び偏光面回転を最小にすることが望ましい。

なお、本例においては、クロスダイクロイックプリズム８０、リレーレンズ９０で発生するリターデーションを補償するための誘電体多層膜をレクチファイア９２を構成する光学素子の少なくとも１面以上に形成していたが、該誘電体多層膜の形成位置はレクチファイア９２に限定されることはなく、同等の機能を果たすのであれば他の光学素子の面に形成してもよい。具体的には、クロスダイクロイックプリズム８０の光射出面や、リレーレンズ９０の各レンズ面があげられる。さらには、これらの面には通常反射防止膜が形成されているが、これらの面の少なくとも一面に反射防止膜を形成しないことで効果的に補償用のリターデーションを発生させることも可能である。

また、レクチファイア９２の配置位置は、リレーレンズ９０の後段（光射出側）に限らず、リレーレンズ９０の前段（光入射側）でもよい。この場合、例えば、図４を用いて説明したレクチファイア９２のうちの、屈折率の無いレンズ９４を前段に配し、λ／２板９３を後段に配するとよい。

また、射出側偏光板６１Ｇ射出直後の偏光状態（図３の（ａ）参照）と、入射側偏光板９９に入射前の偏光状態（図５の（ｆ）参照）とが略同等になるので、いずれか一方の偏光板の省略が可能になる。

すなわち、図６（ａ）に示すように、輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）の入射側偏光板を省いた構成や、図６（ｂ）に示すように色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｇ）の射出側偏光板を省いた構成が可能である。なお、図６（ａ）及び（ｂ）は説明のためにＧ光路のみを描いているが、これらの構成はＲ、Ｂ光路についても同等である。一般的に、偏光板の透過率は、透過偏光に対して８０〜９０％であり、図６（ａ）及び（ｂ）のいずれの構成においても偏光板を省略することで、投射画像の輝度が向上する効果が得られる。なお、図６（ａ）の構成では、各色ごとに最適な射出側偏光板を使用できるので、表示画像の輝度やコントラスト特性が優れるという利点がある。図６（ｂ）の構成では、各色の射出側偏光板を計３枚省略できるので、構成の簡素化やコスト低減効果が大きいという利点がある。

［液晶ライトバルブの変調の具体例］
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詳しく説明する。
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（表示制御装置２００）によって行う。

図７は、表示制御装置２００のハードウェア構成を示すブロック図である。
表示制御装置２００は、図７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（図１に示す液晶ライトバルブ１００）及び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表示データを記憶している。

ＨＤＲ表示データは、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できる画像データであり、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表示データとして、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。

ここで、ＨＤＲ表示データにおける画素ｐの輝度レベルをＲｐ、第２光変調素子の画素ｐに対応する画素の透過率をＴ１、第１光変調素子の画素ｐに対応する画素の透過率をＴ２とすると、下式（１），（２）が成立する。

Ｒｐ ＝ Ｔｐ×Ｒｓ …（１）
Ｔｐ ＝ Ｔ１×Ｔ２×Ｇ …（２）

ただし、上式（１），（２）において、Ｒｓは光源の輝度、Ｇはゲインであり、いずれも定数である。また、Ｔｐは、光変調率である。

なお、ＨＤＲ表示データの生成方法の詳細については、例えば、公知文献３「P.E.Debevec，J.Malik，"Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs"，Proceedings of ACM SIGGRAPH97 ，pp.367-378(1997)」に掲載されている。

また、記憶装置１８２は、輝度変調ライトバルブの制御値を登録した制御値登録テーブル４００を記憶している。

図８は、制御値登録テーブル４００のデータ構造を示す図である。

制御値登録テーブル４００には、図８に示すように、輝度変調ライトバルブの各制御値ごとに１つのレコードが登録されている。各レコードは、輝度変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、輝度変調ライトバルブの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。

図８の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００３」がそれぞれ登録されている。これは、輝度変調ライトバルブに対して制御値「０」を出力すると、輝度変調ライトバルブの透過率が０．３％となることを示している。なお、図８は、輝度変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には、輝度変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。

また、記憶装置１８２は、各色変調ライトバルブごとに、その色変調ライトバルブの制御値を登録した制御値登録テーブルを記憶している。

図９は、液晶ライトバルブ６０Ｒの制御値を登録した制御値登録テーブル４２０Ｒのデータ構造を示す図である。

制御値登録テーブル４２０Ｒには、図９に示すように、液晶ライトバルブ６０Ｒの各制御値ごとに１つのレコードが登録されている。各レコードは、液晶ライトバルブ６０Ｒの制御値を登録したフィールドと、液晶ライトバルブ６０Ｒの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。

図９の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００４」がそれぞれ登録されている。これは、液晶ライトバルブ６０Ｒに対して制御値「０」を出力すると、液晶ライトバルブ６０Ｒの透過率が０．４％となることを示している。なお、図９は、色変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には、色変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。

また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇに対応する制御値登録テーブルのデータ構造については特に図示しないが、制御値登録テーブル４２０Ｒと同様のデータ構造を有している。ただし、同一の制御値に対して異なる透過率が登録されている点が制御値登録テーブル４２０Ｒと異なる。

次に、ＣＰＵ１７０の構成及びＣＰＵ１７０で実行される処理を説明する。

ＣＰＵ１７０は、マイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ）等からなり、ＲＯＭ１７２の所定領域に格納されている所定のプログラムを起動させ、そのプログラムに従って、図１０のフローチャートに示す表示制御処理を実行するようになっている。

図１０は、表示制御処理を示すフローチャートである。

表示制御処理は、ＨＤＲ表示データに基づいて輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブの制御値をそれぞれ決定し、決定した制御値に基づい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処理であって、ＣＰＵ１７０において実行されると、図１０に示すように、まず、ステップＳ１００に移行するようになっている。

ステップＳ１００では、ＨＤＲ表示データを記憶装置１８２から読み出す。

次いで、ステップＳ１０２に移行して、読み出したＨＤＲ表示データを解析し、画素値のヒストグラムや、輝度レベルの最大値、最小値及び平均値等を算出する。この解析結果は、暗めのシーンを明るくしたり、明るすぎるシーンを暗くしたり、中間部コントラストを強調するなどの自動画像補正に使用したり、トーンマッピングに使用したりするためである。

次いで、ステップＳ１０４に移行して、ステップＳ１０２の解析結果に基づいて、ＨＤＲ表示データの輝度レベルをプロジェクタＰＪ１の輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングする。

図１１は、トーンマッピング処理を説明するための図である。

ＨＤＲ表示データを解析した結果、ＨＤＲ表示データに含まれる輝度レベルの最小値がＳminで、最大値がＳmaxであるとする。また、プロジェクタＰＪ１の輝度ダイナミックレンジの最小値がＤminで、最大値がＤmaxであるとする。図１１の例では、ＳminがＤminよりも小さく、ＳmaxがＤmaxよりも大きいので、このままでは、ＨＤＲ表示データを適切に表示することができない。そこで、Ｓmin〜ＳmaxのヒストグラムがＤmin〜Ｄmaxのレンジに収まるように正規化する。

なお、トーンマッピングの詳細については、例えば、公知文献２「F.Drago, K.Myszkowski，T.Annen，N.Chiba，"Adaptive Logarithmic Mapping For Displaying High Contrast Scenes"， Eurographics 2003，(2003）」に記載されている。

次いで、ステップＳ１０６に移行して、色変調ライトバルブの解像度に合わせてＨＤＲ画像をリサイズ（拡大または縮小）する。このとき、ＨＤＲ画像のアスペクト比を保持したままＨＤＲ画像をリサイズする。リサイズ方法としては、例えば、平均値法、中間値法、ニアレストネイバー法（最近傍法）が挙げられる。

次いで、ステップＳ１０８に移行して、リサイズ画像の画素の輝度レベルＲｐ及び光源１０の輝度Ｒｓに基づいて、上式（１）により、リサイズ画像の各画素ごとに光変調率Ｔｐを算出する。

次いで、ステップＳ１１０に移行して、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２として初期値（例えば、０．２）を与え、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を仮決定する。

次いで、ステップＳ１１２に移行して、算出した光変調率Ｔｐ、仮決定した透過率Ｔ２及びゲインＧに基づいて、上式（２）により、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’を算出する。ここで、色変調ライトバルブが３枚の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒから構成されていることから、同一の画素についてＲＧＢ３原色ごとに透過率Ｔ１’が算出される。これに対し、輝度変調ライトバルブが１枚の液晶ライトバルブ１００から構成されていることから、それらの平均値等をその画素のＴ１’として算出する。

次いで、ステップＳ１１４に移行して、輝度変調ライトバルブの画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素について算出した透過率Ｔ１’の重み付け平均値をその画素の透過率Ｔ１として算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。

次いで、ステップＳ１１６に移行して、輝度変調ライトバルブの画素ごとに、その画素について算出した透過率Ｔ１に対応する制御値を制御値登録テーブル４００から読み出し、読み出した制御値をその画素の制御値として決定する。制御値の読出では、算出した透過率Ｔ１に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４００の中から検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。この検索は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。

次いで、ステップＳ１１８に移行して、色変調ライトバルブの画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率Ｔ１の重み付け平均値を算出し、算出した平均値、ステップＳ１０８で算出した光変調率Ｔｐ及びゲインＧに基づいて、上式（２）により、その画素の透過率Ｔ２を算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。

次いで、ステップＳ１２０に移行して、色変調ライトバルブの画素ごとに、その画素について算出した透過率Ｔ２に対応する制御値を制御値登録テーブルから読み出し、読み出した制御値をその画素の制御値として決定する。制御値の読出では、算出した透過率Ｔ２に最も近似する透過率を制御値登録テーブルの中から検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。この検索は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。

次いで、ステップＳ１２２に移行して、ステップＳ１１６，Ｓ１２０で決定した制御値をライトバルブ駆動装置１８０に出力し、色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブをそれぞれ駆動して表示画像を投影し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。

次に、色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）及び輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）に書き込む画像データの生成過程を図１２〜図１５に基づき説明する。

以下では、色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）はいずれも、横１８画素×縦１２画素の解像度及び４ビットの階調数を有し、輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）は、横１５画素×縦１０画素の解像度及び４ビットの階調数を有する場合を例にとって説明を行う。また、色変調ライトバルブおよび輝度変調ライトバルブの図はいずれも光源１０の側から見たものである。

表示制御装置２００では、ステップＳ１００〜Ｓ１０４を経て、ＨＤＲ表示データが読み出され、読み出されたＨＤＲ表示データが解析され、その解析結果に基づいて、ＨＤＲ表示データの輝度レベルがプロジェクタＰＪ１の輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングされる。次いで、ステップＳ１０６を経て、色変調ライトバルブの解像度に合わせてＨＤＲ画像がリサイズされる。

次いで、ステップＳ１０８を経て、リサイズ画像の画素ごとに光変調率Ｔｐが算出される。例えば、リサイズ画像における画素ｐの光変調率Ｔｐは、画素ｐの輝度レベルＲｐ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（1.2，5.4，2.3）、光源１０の輝度Ｒｓ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（10000，10000，10000）であるとすると、（1.2，5.4，2.3）／（10000，10000，10000）＝（0.00012，0.00054，0.00023）となる。

図１２は、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２を仮決定する場合を示す図である。

次いで、ステップＳ１１０を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が仮決定される。色変調ライトバルブの左上４区画の画素をｐ２１（左上）、ｐ２２（右上）、ｐ２３（左下）、ｐ２４（右下）とした場合、画素ｐ２１〜ｐ２４の透過率Ｔ２には、図１２に示すように、初期値Ｔ２０が与えられる。

図１３は、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’を算出する場合を示す図である。

次いで、ステップＳ１１２を経て、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’が算出される。画素ｐ２１〜ｐ２４に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１１〜Ｔ１４は、図１３に示すように、画素ｐ２１〜ｐ２４の光変調率をＴｐ１〜Ｔｐ４、ゲインＧを「１」とすると、下式（３）〜（６）により算出することができる。

実際に数値を用いて計算する。 Ｔｐ１＝0.00012、Ｔｐ２＝0.05、Ｔｐ３＝0.02、Ｔｐ４＝0.01、Ｔ２０＝0.1である場合は、下式（３）〜（６）により、Ｔ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.1となる。

Ｔ１１ ＝ Ｔｐ１／Ｔ２０ …（３）
Ｔ１２ ＝ Ｔｐ２／Ｔ２０ …（４）
Ｔ１３ ＝ Ｔｐ３／Ｔ２０ …（５）
Ｔ１４ ＝ Ｔｐ４／Ｔ２０ …（６）

図１４は、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を決定する場合を示す図である。

次いで、ステップＳ１１４を経て、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１が決定される。輝度変調ライトバルブと色変調パネルはリレーレンズ９０によって互いに倒立結像する関係にあるので、色変調パネルの左上４区画の画素は輝度変調ライトバルブの右下部に結像される。輝度変調ライトバルブの右下４区画の画素をｐ１１（右下）、ｐ１２（左下）、ｐ１３（右上）、ｐ１４（左上）とした場合、画素ｐ１１は、図１４（ａ）に示すように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブの解像度が異なることから、画素ｐ２１〜画素ｐ２４と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、画素ｐ１１は、色変調ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて６×６の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ１１と画素ｐ２１〜ｐ２４との重なり合う面積比は、図１４（ｂ）に示すように、２５：５：５：１となる。したがって、画素ｐ１１の透過率Ｔ１５は、図１４（ｃ）に示すように、下式（７）により算出することができる。

実際に数値を用いて計算する。Ｔ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.002である場合は、下式（７）により、Ｔ１５＝0.1008となる。

Ｔ１５＝（Ｔ１１×２５＋Ｔ１２×５＋Ｔ１３×５＋Ｔ１４×１）／３６ …（７）
画素ｐ１２〜ｐ１４の透過率Ｔ１６〜Ｔ１８についても、画素ｐ１１と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。

次いで、ステップＳ１１６を経て、輝度変調ライトバルブの画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ１に対応する制御値が制御値登録テーブル４００から読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、Ｔ１５＝0.1008であるので、制御値登録テーブル４００を参照すると、先の図８に示すように、0.09が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４００からは、画素ｐ１１の制御値として「８」が読み出される。

図１５は、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を決定する場合を示す図である。

次いで、ステップＳ１１８を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が決定される。画素ｐ２４は、図１５（ａ）に示すように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブの解像度が異なることから、画素ｐ１１〜画素ｐ１４と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、画素ｐ２４は、輝度変調ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて５×５の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ２４と画素ｐ１１〜ｐ１４との重なり合う面積比は、図１５（ｂ）に示すように、１：４：４：１６となる。したがって、画素ｐ２４に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１９は、下式（８）により算出することができる。そして、画素ｐ２４の透過率Ｔ２４は、ゲインＧを「１」とすると、図１５（ｃ）に示すように、下式（９）により算出することができる。

実際に数値を用いて計算する。Ｔ１５＝0.09、Ｔ１６＝0.33、Ｔ１７＝0.15、Ｔ１８＝0.06、Ｔｐ４＝0.01である場合は、下式（８），（９）によりＴ１９＝0.1188、Ｔ２４＝0.0842となる。

Ｔ１９＝（Ｔ１５×１＋Ｔ１６×４＋Ｔ１７×４＋Ｔ１８×１６）／２５ …（８）
Ｔ２４＝Ｔｐ４／Ｔ１９ …（９）

画素ｐ２１〜ｐ２３の透過率Ｔ２１〜Ｔ２３についても、画素ｐ２４と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。

次いで、ステップＳ１２０を経て、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ２に対応する制御値が制御値登録テーブルから読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、液晶ライトバルブ６０Ｒの画素ｐ２４についてＴ２４＝0.0842である場合、制御値登録テーブル４２０Ｒを参照すると、先の図９に示すように、0.07が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４２０Ｒからは、画素ｐ２４の制御値として「７」が読み出される。

そして、ステップＳ１２２を経て、決定された制御値がライトバルブ駆動装置１８０に出力される。これにより、輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）及び色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）がそれぞれ駆動して表示画像がスクリーン上に投射される。

以上説明した液晶ライトバルブの変調制御により、２段階の画像形成過程によって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。

［第１の実施形態の変形例］
なお、上記の第１の実施形態では、第１光変調素子である液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ（色変調ライトバルブ）の解像度が、第２光変調素子である液晶ライトバルブ１００（輝度変調ライトバルブ）よりも高い場合を例に取り説明したが、２つの光変調素子（色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブ）の解像度は同じであっても、あるいは、違っていてもよい。但し、両者の解像度が異なる場合には、上記の第１の実施形態で説明したように、表示画像データの解像度を変換する必要がある。

例えば、輝度変調ライトバルブが、色変調ライトバルブの表示解像度よりも高い表示解像度を有していれば、色変調ライトバルブから輝度変調ライトバルブまでの光伝達におけるＭＴＦ（Modulation Transfer Function ）を高く設定する必要がなくなるため、介在するリレー光学系の伝達性能をそれほど高くする必要が無く、リレー光学系を比較的安価に構成できる。

一方、色変調ライトバルブが、輝度変調ライトバルブの表示解像度よりも高い表示解像度を有していれば、通常、表示画像データは、色変調ライトバルブの表示解像度に合わせて用意されるため、解像度の変換処理を輝度変調ライトバルブの表示解像度に合わせて１回行うだけで済むため、表示画像データの変換処理が容易となる。

［第２の実施形態］
本発明の内容は、第２光変調素子上に形成された最終的な光学像（表示画面）を拡大せずに直接見る、いわゆる直視型の液晶表示装置（画像表示装置）に適用することも可能である。以下、本発明を直視型の液晶表示装置に適用した例について説明する。

［直視型表示装置］
図１６は、直視型の画像表示装置としての液晶表示装置１６０の主たる光学構成を示す図である。なお、先の図１に示したプロジェクタＰＪ１と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

図１６に示すように、直視型の液晶表示装置１６０は、第２光変調素子としての透過型の液晶表示パネル１６１とそれを照明する照明系１６２およびフレネルレンズ１６３や光拡散層１６４等の光学要素から構成されている。

照明系１６２は、光源１０と、均一照明系２０と、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０と、投射レンズ１１０とを含んで構成されている。

光源１０から射出した光束は２枚のレンズアレイ２１，２２、偏光変換素子２３、集光レンズ２４が順次設置された均一照明系２０に入射し、光束断面における光強度分布が均一化される。偏光変換素子２３は例えばＰＢＳアレイと１／２波長板などから構成されており、光源１０から射出された不定偏光状態の光束を後段の光学系で利用できる振動方向が一方向に揃った偏光に変換する。

均一照明系２０を射出した光束は、第１の光変調素子としての液晶ライトバルブ６０に入射し、第一の変調を受ける。液晶ライトバルブ６０により変調をうけた光束は投射レンズ１１０により液晶表示パネル１６１の光入射面に拡大投射され液晶表示パネル１６１を照明する。照明系１６２からの射出光束は偏光光束であり、その偏波面は、液晶表示パネル１６１の入射側偏光板の透過軸と一致している。

液晶表示パネル１６１の手前に配置されるフレネルレンズ１６３は、照明系１６２からの射出光束を略平行化して液晶表示パネル１６１に導き、表示画像の輝度ムラを軽減する。また、液晶表示パネル１６１の光入射面には光拡散層１６４が配置されている。光拡散層１６４は、照明系１６２からの射出光束を拡散し、配光分布を拡げることにより、表示画像の視野角を拡大する。

上記構成の液晶表示装置１６０では、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０で光学像（画像）を形成した変調光を用いて第２光変調素子としての液晶表示パネル１６１を照明し、最終的な表示画像をその液晶表示パネル１６１で形成する。すなわち、直列に配置された２つの光変調素子（液晶ライトバルブ６０、液晶表示パネル１６１）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。その結果、液晶表示装置１６０においても、先の実施形態と同様に、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、投射レンズ１１０とフレネルレンズ１６３との間には、偏光変化を補償するために偏光補償光学系としてのレクチファイア９２が配置されている。このレクチファイア９２により、光源１０から液晶表示パネル１６１までの照明光路上において、本来所望の偏光状態が維持される。その結果、この液晶表示装置１６０では、輝度低下や輝度むらが小さく、ダイナミックレンジの高い階調特性に優れた表示画像を得ることができる。

なお、このような構成においては、液晶表示装置１６０は、色変調ライトバルブ（液晶表示パネル１６１）が画像の表示面となるので、その寸法を輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０）よりも大きく、また、解像度も高くした構成とするのが好ましい。

［第２の実施形態の変形例］
なお、図１６の液晶表示装置１６０は、照明系１６２に１枚の液晶ライトバルブ６０を配置する構成の例であるが、先の図１のプロジェクタＰＪ１と同様に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色光毎に液晶ライトバルブを備える３板方式の照明系を用いても構わない。この場合は、均一照明系と液晶ライトバルブとの間にダイクロイックミラー等から構成される光分離手段としての色分離光学系を配置してＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色光毎に光路を分離し、かつ、色光毎の液晶ライトバルブで変調された各色光束を、液晶ライトバルブと投射レンズの間に配置されたクロスダイクロイックプリズム等の色合成光学系で合成してカラー画像を表す光束を形成する。

［その他の変形例］
上記各実施の形態においては、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、上記実施の形態においては、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、上記各実施の形態において、プロジェクタＰＪ１及び液晶表示装置１６０は、透過型の光変調素子を設けて構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブまたは色変調ライトバルブを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。

また、偏光補償光学系としては、偏光補償機能を有する誘電体膜やレクチファイアを用いた構成に限らない。特開平１１−７２７１０号公報（公知文献１）には、偏光顕微鏡等で発生する偏光変化を打ち消すための光学系に関する技術が記載されている。また、特開２００２−３２４３４２号公報（公知文献２）には、偏光回転を補償するためにレンズに多層膜コートを形成する技術が記載されている。

また、上記各実施の形態において、図７のフローチャートに示す処理を実行するにあたっては、ＲＯＭ１７２にあらかじめ格納されている制御プログラムを実行する場合について説明したが、これに限らず、これらの手順を示したプログラムが記憶された記憶媒体から、そのプログラムをＲＡＭ１７４に読み込んで実行するようにしてもよい。

ここで、記憶媒体とは、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体記憶媒体、ＦＤ、ＨＤ等の磁気記憶型記憶媒体、ＣＤ、ＣＤＶ、ＬＤ、ＤＶＤ等の光学的読取方式記憶媒体、ＭＯ等の磁気記憶型／光学的読取方式記憶媒体であって、電子的、磁気的、光学的等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体であれば、あらゆる記憶媒体を含むものである。

また、上記各実施の形態においては、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。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明に係る画像表示装置（プロジェクタ）の主たる光学構成を示す図。 リレーレンズの構成を示す図。 レクチファイアが無い場合に、色変調ライトバルブを射出した偏光が輝度変調ライトバルブに入射するまでにどのように偏光状態が変化するかを概念的に示した説明図。 レクチファイアの概略構成図。 レクチファイアを配置した場合に色変調ライトバルブを射出した偏光が輝度変調ライトバルブに入射するまでにどのように偏光状態が変化するかを概念的に示した説明図。 （ａ）は輝度変調ライトバルブの入射側偏光板を省いた構成例を示す図、（ｂ）は色変調ライトバルブの射出側偏光板を省いた構成例を示す図。 表示制御装置のハードウェア構成を示すブロック図。 制御値登録テーブルのデータ構造を示す図。 制御値登録テーブルのデータ構造を示す図。 表示制御処理を示すフローチャート図。 トーンマッピング処理を説明するための図。 色変調ライトバルブの透過率を仮決定する場合を示す図。 色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率を算出する場合を示す図。 輝度変調ライトバルブの各画素の透過率を決定する場合を示す図。 色変調ライトバルブの各画素の透過率を決定する場合を示す図。 本発明に係る画像表示装置（液晶表示装置）の主たる光学構成を示す図。

符号の説明

ＰＪ１…プロジェクタ（画像表示装置）、１０…光源、１１…光源ランプ、１２…リフレクタ、２０…均一照明系、２５…色変調部、３０，３５…ダイクロイックミラー、４２…リレーレンズ、６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，６０…液晶ライトバルブ（色変調ライトバルブ、第１光変調素子）、８０…クロスダイクロイックプリズム、８１…Ｂ光反射ダイクロイック膜、８２…Ｒ光反射ダイクロイック膜、９０…リレーレンズ、９２…レクチファイア（偏光補償光学系）、１００…液晶ライトバルブ（輝度変調ライトバルブ、第２光変調素子）、１１０…投射レンズ、１６０…液晶表示装置（画像表示装置）、１６１…液晶表示パネル（輝度変調ライトバルブ、第２光変調素子）、２００…表示制御装置。

Claims (12)

1. 表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
   前記光源からの光を変調する第１光変調素子と、
   前記第１光変調素子からの光を変調する第２光変調素子と、
   前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配される少なくとも１つの光学素子と、
   前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配され、前記少なくとも１つの光学素子で生じる光の偏光状態の変化を補償する偏光補償光学系と、を備え、
   前記第１光変調素子及び前記第２光変調素子の双方が液晶ライトバルブを有する、ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記偏光補償光学系は、前記少なくとも１つの光学素子で生じる偏光面回転及びリターデーションの少なくとも１つを補償することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記少なくとも１つの光学素子は、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配されるリレーレンズを備える、ことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記少なくとも１つの光学素子は、前記光源からの光を、異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記偏光補償光学系は、前記複数の特定波長領域の光のうちの最も高い視感度の光に対して最も高い補償性能を発現する、ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記複数の特定波長領域の光が、赤、緑、及び青の各色に対応した３つの光であり、
   前記偏光補償光学系は、前記３つの光のうちの緑光に対して最も高い補償性能を発現する、ことを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記偏光補償光学系は、偏光補償機能を有する誘電体膜を含む、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記偏光補償光学系は、レクチファイアを含み、
   前記レクチファイアは、１／２波長板と屈折力の無いレンズとを含む、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の画像表示装置。
9. 前記第１光変調素子の光射出面側に配置される第１偏光板、または前記第２光変調素子の光入射面側に配置される第２偏光板のいずれか一方の偏光板を省いた、ことを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
10. プロジェクタであって、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載の画像表示装置と、
    投写手段と、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
11. 光の偏光状態を補償する光学系であって、
    光学的に直列配置された２つの光変調素子の間に配置される本体を備え、
    前記２つの光変調素子の双方が、液晶ライトバルブを有し、
    前記本体は、前記２つの光変調素子の間に配される少なくとも１つの光学素子で生じる偏光面回転及びリターデーションの少なくとも１つを補償することを特徴とする偏光補償光学系。
12. 前記本体は、偏光補償機能を有する誘電体膜とレクチファイアとの少なくとも一方を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の偏光補償光学系。

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