(57)【要約】【課題】  観視者から見て奥行き方向の異なる位置に複数の表示面を設け、該複数の表示面に２次元画像を表示して、３次元画像を視聴できる映像表示装置は、高価となる。【解決手段】  入射された光を第１の映像信号に応じて変調して第１画像を形成するための第１の光変調部と、光源からの光を第２の映像信号に応じて変調するための１または複数の第２の光変調部と、前記第１の光変調部の光入射側に配置され、前記第２の光変調部で変調された光が拡大投写されて第２画像の形成される拡大像形成部と、を備え、前記第１の光変調部は、前記拡大像形成部に形成された前記第２画像の光が入射され、該第２画像の光を前記第１の映像信号に応じて変調して前記第１画像を形成する構成とする。【選択図】  図１
2008286896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示装置において、
入射された光を第１の映像信号に応じて変調して第１画像を形成するための第１の光変調部と、
光源からの光を第２の映像信号に応じて変調するための１または複数の第２の光変調部と、
前記第１の光変調部の光入射側に配置され、前記第２の光変調部で変調された光が拡大投写されて第２画像の形成される拡大像形成部と、
を備え、前記第１の光変調部は、前記拡大像形成部に形成された前記第２画像の光が入射され、該第２画像の光を前記第１の映像信号に応じて変調して前記第１画像を形成することを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記第１の光変調部の画面有効寸法が前記第２の光変調部により得られた拡大画像の画面有効寸法より小さいことを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記第１の光変調部の画面有効寸法が前記第２の光変調部により得られた拡大画像の画面有効寸法より大きいことを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記第１の光変調部及び前記第２の光変調部、それぞれの映像信号に対応して画素毎に光を変調可能な液晶パネルであることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記第１の光変調部は、映像信号に対応して画素毎に光を変調可能な透過型液晶パネルで、かつ前記第２の光変調部は映像信号に対応して画素毎に光を変調可能な反射型液晶パネルあることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項６】
前記第１の光変調部の精細度が、前記第２の光変調部の精細度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項７】
前記第２の光変調部からの第２画像の拡大像を前記拡大像形成部に投写するための投写レンズ装置を更に備え、該投写レンズ装置は、回転非対称なミラーとレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項８】
前記光源からの光を所望の偏波成分に変換する偏光変換部を更に備え、前記第２の光変調部は、該偏光変換部からの光の強度を映像信号に対応して変調することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項９】
前記第２の光変調部に設けた入射側偏光板の偏光軸と前記第１の光変調部に設けた入射側偏光板の偏光軸が同一方向であることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載の映像表示装置。
【請求項１０】
前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
【請求項１１】
前記光源が半導体レーザであることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
【請求項１２】
前記光源からの光束を複数の光束に分割するための、複数の凸レンズを２次元的に配列した第１のマルチレンズ素子と、前記第１のマルチレンズ素子に対向して設けられた第２のマルチレンズ素子とを更に備え、
前記偏光変換部は、前記第２のマルチレンズ素子から出射された複数の光束を所望の方向の偏波成分に変換することを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
【請求項１３】
前記光源からの光束を集光する集光部と、前記集光部により集光された光束が入射される四面の反射面を有するライトファネルとを更に備え、
前記第１のレンズ素子には、前記ライトファネルからの光が入射され、前記偏光変換部は、前記ライトファネルと前記第二の光変調部との間に設けられることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
【請求項１４】
前記第２の光変調部の画面表示有効領域対角寸法Ｌ２と前記第１の光変調部の画面表示有効領域対角寸法Ｌ１との比率Ｌ１/Ｌ２が、下記条件を満たすことを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
１０＜Ｌ１／Ｌ２＜１５０
【請求項１５】
前記第２の光変調部からの第２画像の拡大像を前記拡大像形成部に投写するための投写レンズ装置を更に備え、該投写レンズ装置は、回転非対称な反射面を含む第１ミラーと、
該第１ミラーの第２の光変調部側に位置する少なくとも回転非対称なレンズ面を１面有する第１レンズを含む第１群と、全体として正の屈折力を有する第２群とを含む投写レンズとを有し、前記第１ミラーの画面垂直方向の有効断面寸法は、該投写部の光軸に対して前記第１の光変調部に近い側の寸法と他方の寸法が異なることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
【請求項１６】
映像表示装置において、
投写画像形成装置と、該投写画像形成装置によって形成された投写画像を第１の映像信号に応じて変調して表示用画像を得るための第１の光変調部とを備え、
前記投写画像形成装置は、光源と、該光源からの光を第２の映像信号に応じて変調する１または複数の第２の光変調部と、該第２の光変調部で変調された光を投写して前記第１の光変調部の光入射側において前記投写画像を形成するための投写レンズ装置とを備え、かつ  
前記投写レンズ装置は、拡大画像を形成する第１の光変調部の入射面から前記第２の光変調部に向かって順に配置された、
回転非対称な反射面を含む第１ミラーと、
該第１ミラーの第２の光変調部側に位置する少なくとも回転非対称なレンズ面を１面有する第１レンズを含む第１群と、全体として正の屈折力を有する第２群とを含む投写レンズと、
を有し、前記第１ミラーと前記第１の光変調部との間に平面ミラーを少なくとも１枚配置したことを特徴とする映像表示装置。
【請求項１７】
奥行き位置の異なる複数の表示面にそれぞれ２次元画像を表示して３次元立体画像を生成する３次元表示装置であって、
入射された光を第１の映像信号に応じて変調して第一画像を形成するための第１の光変調部と、投写画像形成装置とを備え、
前記投写画像形成装置は、観視者から見て異なった奥行き位置にある複数の表示画像を得るために、前記第１の光変調部の光入射側に第２画像を形成するものであって、
光源からの光の強度を映像信号に対応して変調するための１または複数の第２の光変調部と、該第２の光変調部で得られた画像を拡大投写して前記第２画像を形成するための投写レンズ装置とを含み、
前記投写画像形成装置により得られた第２画像は、表示対象物体を所定の方向から射影した２次元像とし、該第２画像の光束を第１の光変調部において再度変調することで前記第１画像を形成し、該第１画像は、  前記第２画像と異なる映像信号から形成された２次元像とすることで、３次元画像を表示可能としたことを特徴とする３次元映像表示装置。
【請求項１８】
奥行き位置の異なる複数の表示面にそれぞれ２次元画像を表示して３次元立体画像を生成する３次元表示装置であって、
前記投写画像形成装置により得られた第２画像は、表示対象物体を観視者の一方の目からの視線方向から射影した２次元像とし、該第２画像の光束を第１の光変調部において再度変調することで前記第１画像を形成し、該第１画像は、観視者の他方の目からの視線方向から射影した２次元像とすることで、３次元画像を表示可能としたことを特徴とする請求項１７に記載の３次元映像表示装置。
【請求項１９】
前記光源からの光を所望の偏波成分に変換する偏光変換部を更に備え、前記第２の光変調部は、該偏光変換部からの光の強度を映像信号に対応して変調したことを特徴とする請求項１７乃至請求項１８に記載の３次元映像表示装置。
【請求項２０】
前記第１画像の寸法と、前記第２画像の寸法とが、互いに独立に変化可能であることを特徴とする請求項１７乃至請求項１９に記載の３次元映像表示装置。
【請求項２１】
前記第２画像の輝度を、前記第１画像の輝度より高くしたことを特徴とする請求項１７乃至請求項１９に記載の３次元映像表示装置。
【請求項２２】
前記第２画像の輝度を、前記第１画像の輝度より低くしたことを特徴とする請求項１７乃至請求項１９に記載の３次元映像表示装置。
【請求項２３】
前記第２画像の寸法を、前記第１画像の寸法より小さくしたことを特徴とする請求項１７乃至１９に記載の３次元映像表示装置。
【請求項２４】
前記第２画像の寸法を、第１の光変調部から奥行き方向に向かって徐徐に小さくしたことを特徴とする請求項２０に記載の３次元映像表示装置。
【請求項２５】
前記第２画像の寸法を、第１の光変調部から奥行き方向に向かって徐徐に大きくしたことを特徴とする請求項２０に記載の３次元映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の２次元画像を観視者側から見てセット奥行き方向の異なる位置にある複数の表示面にそれぞれ表示する映像表示装置に係わり、特に、２次元画像の表示サイズを大型化しても安価に提供できる映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２０１１年に予定されている地上波アナログＴＶ（テレビジョン）放送の停波に
ともない、既に開始されている高精細な（例えば１９２０ｘ１０８０画素）ハイビジョン放送や高画質な地上波デジタルＴＶ（テレビジョン）放送を受信できる大画面の直視型映像表示装置が普及してきている。
【０００３】
一般に、薄型直視タイプの映像表示装置に用いられる表示パネルには、ＰＤＰ（Plasma Display
Panel）や液晶パネルなどがあるが、液晶パネルはＰＤＰに較べてコントラスト（コントラスト比ともいう）が約一桁程度悪い。一方ＰＤＰは全面白表示した場合の明るさが足りないなど解決すべき課題が残されている。また、薄型直視タイプの映像表示装置は総コストに占めるパネルの割合が大きいが、パネルメーカの大型設備投資によりパネルの生産過剰感からパネル単価が大幅に下落したため、セット価格もこれにつられる形で年率２０％以上の価格下落を起している。
【０００４】
このためセットメーカ各社とも付加価値が高い映像表示装置の開発を継続して行っており、パネルの解像度はＸＧＡ（１０２４×７６８画素）からより高精細度なハイビジョン（１９２０×１０８０画素）放送対応機種へ商品ラインナップの柱が移行している。更に次のステップとして３次元立体画像（以下、「３次元画像」という）の表示が可能な３次元映像表示装置の開発が本格化している。
【０００５】
この３次元画像（３次元立体画像）を表示する３次元表示方法として、開発の初期段階では、右目用の画像（２次元画像）と左目用の画像（２次元画像）を映像信号の一フィールドごとに切り替え、これに同期させて眼鏡に組み込まれた液晶シャッターを切り替える液晶シャッター眼鏡方式が良く知られていた。しかしながらこの方式では、液晶シャッター眼鏡が必須であるため実使用上大変不便であった。また肉眼でのピント調整が、２次元画像が表示される面（以下、「表示面」という）で行われるため眼精疲労が生じるなど生理的な問題点もあった。
【０００６】
上記した問題点を解決する３次元表示方法およびそれを用いる３次元映像表示装置として特許文献１が知られている。
【０００７】
【特許文献１】特許第３０２２５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１には、セット奥行き方向の異なる位置に複数の表示面に表示対象物体を観視者の視線方向から射影した２次元画像（以下、疑義が生じない限り２次元画像を単に「画像」と省略する）を生成し、この画像の輝度を表示面ごとに個別独立に制御して、違和感の少ない３次元画像を得る３次元表示方法が開示されている。本３次元表示方法では、例えば、観視者から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、観視者に近い表示面ほど画像の輝度を上げ、観視者から遠い表示面ほど画像の輝度を下げるようにする。これにより、観視者は、生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示されているのが２次元画像であっても、複数の表示面の間に３次元画像が位置しているように感じることになる。
【０００９】
また、特許文献１には前記３次元表示方法を用いる３次元映像表示装置の実施例が複数開示されている。
【００１０】
例えば、３次元映像表示装置の第１の実施例（特許文献１の図２０）では、ハーフミラーにより複数の２次元映像表示装置（例えばＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、ＤＭＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描写型ディスプレイ等）の画像をそれぞれ奥行き方向の異なる位置（表示面）に配置する光学系が開示されている。しかしながら、この３次元映像表示装置では、大型の３次元画像を得るためには、装置が大型化（特に装置奥行きが長大化）し、かつ高価になると言う問題がある。さらには、ハーフミラーを使用するため光の利用効率が低下して、装置の明るさが小さくなる。
【００１１】
第２の実施例（特許文献１の図２１）の３次元映像表示装置では、画像を投写する複数のプロジェクターの前にそれぞれ光の透過／遮断を行うシャッター素子を備え、それぞれのプロジェクターからの投写画像の結像位置に散乱／透過または反射／透過を制御する散乱板をそれぞれ配置し、散乱板の散乱／透過のタイミングとシャッター素子の透過／遮断のタイミングを合わせて駆動することにより、時分割で、散乱板上に形成される画像の奥行き位置を制御する光学系が開示されている。しかしながら、この３次元映像表示装置では、大型の３次元画像を得るためには装置が大型化（特に装置奥行きが長大化）する。更に、散乱／透過または反射／透過を制御する散乱板は、大型化した場合には非常に高価になる。
【００１２】
第３の実施例（特許文献１の図２２）に記載された３次元映像表示装置では、３次元映像表示装置内部の複数の画像を３次元映像表示装置の外部に表示する光学系が開示されている。しかし、３次元映像表示装置内部の複数の画像を３次元映像表示装置の外部表示面に変換するレンズ光学系１８３の設計は困難である。同様に第４の実施例（特許文献１の図２３）に記載されたバリフォーカル・ミラーの形状制御を高精度で実施することも困難を極めるため現実的ではない。更に以降記載された実施例（例えば特許文献１の図２４）についても、技術的なハードルが高く製造が困難であるばかりか、３次元映像表示装置を実現するためにはコストアップとなる要因が多く、非常に高価になる可能性が高い。
【００１３】
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、その目的は、低コストで高画質な複数画像が同時に表示可能で３次元画像表示に好適な映像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を実現するために、本発明は、観視側に最も近い位置に設けた第１の表示用光変調部と、光源からの光を映像信号により変調して、前記表示用光変調部よりも小さな表示面を持つ第２の光変調部とを有し、該第２の光変調部で変調された光を第１の光変調部へ拡大投写する投写レンズ装置を含む投写装置を少なくとも１つ有することを特徴とするものである。
【００１５】
上記した構成により、第２の光変調部によって光源から射出された光量を画素単位で光変調して１つ目の２次元画像を得る。さらにこの変調された画像光を拡大投写する投写レンズ装置により第１の表示用光変調部への入力光として使用することで２つ目の２次元画像を得ることが可能となる。この結果、複数２次元画像が表示可能となる。前述した第２の光変調部と投写レンズ装置のペア（即ち投写装置）を増やして２次元画像の数を増せば更にリアルな３次元画像を表示できる映像表示装置が実現できる。
【００１６】
本方式では、第２の光変調部のサイズを小さくできるので、２次元画像表示の画面数を増やしても大型の３次元表示装置を低コストで実現することが可能となる。更に、光が複数回偏光板を通過することで画像のコントラスト性能を大幅に向上できるという別の効果も得ることが出来る。
【００１７】
更に、光源と第２の光変調部との間に、前記光源からの光を所望の方向の偏光成分に変換する偏光変換部を設けられるので、光源から出射する偏りのない光を所定偏光方向に揃えることができ、光源からの光を効率よく利用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、低コストで高画質な映像表示装置及びそれを適用した３次元表示装置を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明による最良の形態について、図を用いながら詳細に説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一符号を付して示し、一度説明したものについて、その重複する説明を省略する。また説明を簡略化するために、２つの表示面に２次元画像を表示する場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。２つ以上の表示面としても後述する同様の効果が得られることは言うまでもない事である。
【００２０】
本実施形態の説明の前に、先ず、本実施形態の映像表示装置において、３次元立体画像表示に用いる特許文献１で開示された３次元表示方法の原理について説明する。
【００２１】
図１６は、本実施形態に係わる３次元表示方法の原理を説明するための図である。その（ａ）図は斜視図で、（ｂ）図はほぼ正面から見た図である。
【００２２】
図１６に示されるように、映像を視聴する観視者２５０の前方に、奥行き方向の異なる位置に複数の表示面、例えば、第１の表示面１７０ａと第２の表示面１６０ａを設定し、後述する本実施形態による映像表示装置を用いて、これらの表示面に２つの画像（２次元画像）つまり第１画像１７５と第２画像１５５を表示する。なお、第１の表示面１７０ａは、後述する第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０の表示面（画像形成面）に対応し、第２の表示面１６０ａは、後述する第２の光変調部としての液晶パネル１５０の表示面（画像形成面）が投写レンズ装置１０によって拡大投写された投影画像面（結像面）に対応する。
【００２３】
第１の表示面１７０ａと第２の表示面１６０ａに表示する画像（２次元画像）１７５，１５５は、特許文献１の図２で述べられているように、観視者に提示したい３次元物体（表示対象物）を、観視者の両眼の視線方向から、前記表示面１７０ａ，１６０ａへ射影した画像である。
【００２４】
これらの表示面１７０ａ，１６０ａへ射影した画像の生成方法としては、例えば、視線方向から３次元物体をカメラで撮影した２次元画像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の２次元画像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法が挙げられている。なお、後述する本実施形態による映像表示装置で用いられる第１の映像信号，第２の映像信号は、これらのいずれかを用いて生成されたもので、第１の映像信号は第１画像に対応し、第２の映像信号が第２画像に対応するものであって異なる信号成分を有している場合が多い。
【００２５】
一方、特許文献１に示された方法以外にも本発明者らは試作した映像表示装置に２種類の画像を表示し、第１画像と第二画像の大きさを変えることや、輝度信号のレベルを異ならせることで表示画面の内容が同一でも擬似的に３次元表示されたがごとくに視認できることも確認している。また第二画像の数を増やすことでよりリアルな３次元画像を得ることが出来る。
【００２６】
このようにして生成された第１画像１７５と第２画像１５５を、図１６（ｂ）に示すように、それぞれ第１の表示面１７０ａと第２の表示面１６０ａの双方に、観視者２５０の右眼と佐眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。後述する本実施形態による映像表示装置では、表示面のサイズが２７〜１００インチ程度と十分大きく、かつ、第１の表示面１７０ａと第２の表示面１６０ａとの間の距離Ｌを例えばほぼ０ｍｍから５０ｍｍ程度まで画面サイズに合わせて最適な表示間隔とできるので、この条件を十分満足することができる。
【００２７】
そして、２つの画像（２次元画像）から３次元画像（３次元立体画像）が感じ取られるようにするため、観視者２５０から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、３次元物体の観視者からの奥行き位置に応じて変えるようにする。
【００２８】
その輝度の変え方の一例を、図１６を参照して説明する。なお、ここでは、分かり易くするため、輝度の高い方を濃くして示す。
【００２９】
すなわち、例えば、観視者２５０から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、観視者に近い表示面（ここでは第１の表示面１７０ａ）ほど画像の輝度を上げ、観視者から遠い表示面（ここでは第２の表示面１５５ａ）になるほど画像の輝度を下げるようにする。これにより、観視者は、生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示されているのが２次元画像であっても、複数の表示面（ここでは第１の表示面１７０ａと第２の表示面１５５ａ）の間に３次元画像が位置しているように感じることになる。
【００３０】
以上述べた３次元表示方法を用いることにより、複数の画像（２次元画像）を観視者から見て奥行き位置の異なる複数の表示面にそれぞれ形成することで、３次元画像の表示（立体視）が可能となる。
【００３１】
次に、本実施形態に係る映像表示装置について説明する。
【００３２】
本実施形態に係る映像表示装置は、複数の画像（２次元画像）を観視者から見て奥行き位置の異なる複数の表示面にそれぞれ形成するために、画像としての光学像を形成する光変調部を少なくとも２つ備える。そして、入射された光を第１の映像信号に応じて光変調して第１画像を形成するための第１の光変調部と、光源からの光を第２の映像信号に応じて光変調するための１または複数の第２の光変調部と、前記第１の光変調部の光入射側に配置され、前記第２の光変調部で光変調された光を拡大投写して、第１の光変調部の光入射側近傍に第２画像を形成（写像）する拡大像形成部と、を備え、前記第１の光変調部は、前記拡大像形成部により形成された前記第２画像の光が入射し該第２画像の光を前記第１の映像信号に応じて光変調して前記第１画像を形成することを特徴とする。本実施形態では、上記したように、第２の光変調部で形成された光学像（画像）を拡大像形成部で拡大投写（写像）して第２画像とする。従って、第１の光変調部の画面サイズに較べ、第２の光変調部の画面サイズを十分小さくできるので、低コストな映像表示装置及びこれを適用した３次元映像表示装置が実現できる。なお、以下の説明では、第２の光変調部で形成された光学像（画像）を拡大投写された第２画像と区別するために、「原画像」あるいは「第２原画像」と称するものとする。
【００３３】
図１は、本発明による一実施形態の映像表示装置を模式的に示した構成図である。以下の実施例では第２の光変調部として透過型の液晶パネルを用いる場合を例にして説明する。カラー画像を得るためには白色光をＲＧＢの三原色光に分離する色分離手段とそれぞれに対応した３枚の液晶パネル及び各液晶パネルで形成された各色光の画像をカラー画像として合成する合成プリズムが必要となるが、図１では、説明を分かり易くするために省略し、更に、各構成要素は実際の寸法を無視して模式的に示されている。
【００３４】
図１において、本実施形態による映像表示装置１００は、第１画像を形成するための第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０と、第２画像を形成する投写画像形成装置２００と、画像表示用液晶パネル１７０の入射側近傍に配置された光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０と、画像表示用液晶パネル１７０を駆動して第１画像を形成させる第１のパネル駆動回路１９２と、投写画像形成装置２００を駆動して第２画像を形成させる第２のパネル駆動回路１９２と、を含んで構成されている。
【００３５】
尚、映像表示装置１００のセット構成によってはフレネルレンズシート１６０の代わりに光拡散シートを使用すれば良い場合もある。
【００３６】
投写画像形成装置２００は、第１の映像信号１９３に対応して光を変調（光変調）する第１の光変調部としてのカラー表示を行う画像表示用液晶パネル（単に、「液晶パネル」ともいう）１７０の背後から拡大画像を投写し、画像表示用液晶パネル１７０の光入射側近傍に第２画像を形成するものである。すなわち、図１６を用いて説明した第２の表示面１６０ａは、画像表示用液晶パネル１７０の光入射側近傍に位置している。そして、投写画像形成装置２００は、画像表示用液晶パネル１７０に向かって順に、略白色光を出射する光源１１０と、光源１１０から射出される偏りのない光を所望方向の偏光成分に変換して揃える偏光変換部としての偏光変換素子１３０と、偏光変換素子１３０からの光（白色光）を光変調して第２原画像を形成する第２の光変調部としての液晶パネル１５０と、液晶パネル１５０で第２の映像信号１９６に対応して光変調された光束（第２原画像）を拡大して第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写し画像表示用液晶パネル１７０の光入射側近傍（例えば、図示しない入射側偏光板近傍）の第２の表示面１６０ａに第２画像１５５を形成する拡大像形成部としての投写レンズ装置１０を含んでなる。
【００３７】
なお、画像表示用液晶パネル１７０の光入射側近傍に設けた第２表示面１６０ａの表示面位置には、投写レンズ装置１０からの光束が画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するように変換する光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０が設けられている。このフレネルレンズシート１６０によって投写レンズ装置１０からの光束を略平行光束とするので、画像表示用パネルに対してはコントラスト性能に優れた角度成分の光のみが入射することになり、結果として映像表示装置トータルのコントラスト性能は大幅に向上する。一方、コスト低減を実現するためにフレネルレンズシート１６０を省くことも可能であるが、この場合には光拡散効果の大きな拡散シートを追加することが必要となるため上述した効果が得られずコントラスト性能の大幅向上効果が得られない。
【００３８】
第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０は、投写画像形成装置２００から照射された第２原画像が拡大された投写画像（第２画像１５５）の映像光を、第１のパネル駆動回路１９２を介して第１の映像信号１９３に基づいて再度光変調して、主表示画像としての第１画像１７５を形成し、出射する。ここでは、横縦比１６：９、画素数１９２０ｘ１０８０、画面サイズ（画面表示有効領域の対角寸法Ｌ１）が２７〜６０インチ程度の大画面直視型液晶ＴＶに用いられるアクティブマトリックス駆動のＴＦＴ（Thin  Film Transistor）型液晶パネルとする。一般に、ＴＦＴ型液晶パネルのコントラスト比は１０００：１程度である。
【００３９】
なお、投写画像形成装置２００に設けられた第２の光変調部としての液晶パネル１５０と第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０は、高コントラストな映像を得るため、入射側および出射側に偏光板を有しているが、図示を省略している。また、コントラスト性能を重視しない場合には、いずれかの偏光板を省略しても所望の性能が得られる場合があるので、必ずしも全ての偏光板を必要としない。この場合には、省略した偏光板の材料費分のコスト低減が可能となる。更に、本願発明の投写画像形成装置２００には、光源１１０から射出される偏りのない光を所望方向の偏光成分に変換して揃える偏光変換部を設けているため、光の利用効率が通常の直視型液晶ＴＶに比べて極めて高い。
【００４０】
光源１１０は、例えば略白色光を出射する高輝度の高圧水銀ランプなどのランプ１０１と、ランプ１０１を背後から覆い、ランプ１０１からの白色光を反射して平行光に変換する回転放物面形状のリフレクタ１０２とを含んでなる。本実施形態では、光源１１０から射出される光は、後述するように、画像表示用液晶パネル１７０と較べ十分に小さな、第２の光変調部としての液晶パネル１５０に照射されるので、高圧水銀ランプなどの放電ランプを用いることができる。
【００４１】
ランプ１０１から射出された光は、例えば回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ１０２によって反射され、光軸１１５に略平行となり、光源１１０から略平行の光束が射出される。光源１１０から射出された光は、偏光変換素子１３０に入射する。
【００４２】
偏光変換素子１３０は、光源１１０から射出された偏りのない光を所定の偏光方向の偏光光に揃える。偏光変換素子１３０で所定偏光光とされた光は、液晶パネル１５０に入射する。
【００４３】
第２の光変調部としての液晶パネル１５０は、第２のパネル駆動回路１９５を介して第２の映像信号１９６に基づいて光変調して光学像（第２原画像）を形成する。ここでは、映像表示装置の価格を低減するため、解像度をそれほど重要視しない場合には、液晶パネル１５０の解像度を落し、より低価格なパネルを使用することもある。例えば、液晶パネル１７０が横縦比１６：９、ＨＤの画素数１９２０×１０８０の場合には、コスト優先ではＷＳＶＧＡの画素数８５２×４８０を用いても良い。一方、画面サイズ（画面表示有効領域の対角寸法Ｌ２）としては０．４〜１．３インチ程度のシングルマトリックス駆動のＴＮ型液晶パネル（透過型液晶パネル）を用いるものとする。
【００４４】
一般に、ＴＮ型液晶パネルのコントラスト比は７００：１程度とＴＦＴ型より低い。しかし、本発明では、コントラスト比は、第２の光変調部としての液晶パネル１５０のコントラスト比と第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０のコントラスト比との積となるため、価格の安いパネルを用いながら、コントラスト比を格段に向上できるという別の効果もある。
【００４５】
第２のパネル駆動回路１９５は、コスト低減のため、第２の光変調部としての液晶パネル１５０の解像度を第１の光変調部としての液晶パネル１７０に比べて低くする場合には、スケーリング機能（図示せず）を有する構成とし、第２の映像信号１９６に対して、液晶パネル１５０の解像度に対応してスケーリングなどの画像処理を行う場合もある。その後、液晶パネル１５０を駆動し、第２原画像（光学像）を形成させる。また、第１のパネル駆動回路１９２から、画像表示用液晶パネル１７０に供給されるＲＧＢ信号を（必要に応じ液晶パネル１５０の解像度に対応してスケーリング処理をして）液晶パネル１５０に供給してもよい。
【００４６】
拡大像形成部としての投写レンズ装置１０は、液晶パネル１５０で形成された画像を拡大して第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写する構成とする。この時、従来方式の投写レンズ装置を用いると映像表示装置の奥行き寸法が大きくなる。そこで、本願実施例では詳細は後述するが、奥行き寸法を極力薄くするために、斜め投写を用いる。
【００４７】
本願発明の投写レンズ装置１０は、液晶パネル１５０の画像を第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０に向けて拡大投写するので、次の条件を満足させる必要がある。
【００４８】
【数１】
2008286896.tif 000003
第２の光変調部としての液晶パネルは、最も小さいもので現在０．４８インチ（対角寸法）程度であり、０．４インチが限度と考えられている。そこで、液晶パネル１５０の画面サイズをＬ２＝０．４インチとし画像表示用液晶パネル１７０の画面サイズをＬ１＝６０インチとすればＬ１／Ｌ２＝１５０となる。Ｌ１／Ｌ２が１５０を越えると第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０に照射される明るさが暗くなるという問題が生じる。従って、Ｌ１／Ｌ２を１５０以下とすることが望ましい。下限は、液晶パネル１５０の画面サイズによるが、画像表示用液晶パネル１７０の画面サイズに近づけると、コストダウンにつながらないので、少なくともＬ１／Ｌ２＝１０以上とするのが望ましい。一般に、投写型映像表示装置に用いられる上限に近い画面サイズＬ２＝１．３インチのパネルを第２の光変調部としての液晶パネル１５０とし、第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０の画面サイズをＬ１＝２７インチとすればＬ１／Ｌ２＝２０程度となり、上記を満足することができる。
【００４９】
フレネルレンズシート１６０は、第２の表示面１６０ａの位置近傍に設けられ、投写レンズ装置１０からの斜め光が画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するように変換する光方向変換部である。フレネルレンズシート１６０を構成する基材１６１の一方の面（ここでは画像表示用液晶パネル１７０側とは逆側の面）には、入射角が所定値以内の光を屈折して出射させる屈折型フレネルレンズ１６２と、入射角が所定値以上の光を全反射して出射させる全反射型フレネルレンズ１６７が同心円状に複数形成されている。そして、屈折型フレネルレンズ１６２および全反射型フレネルレンズ１６７により投写レンズ装置１０からの光を入射角度に応じて屈折または全反射して、画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するようにする（詳細は後述する）。
【００５０】
以上述べたように、本実施形態では、サイズの小さな液晶パネル１５０を用い、第２の映像信号に対応して光を変調（光変調，光強度変調）し、得られた画像（第２原画像）を投写レンズ装置１０により第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０に向けて拡大投写し、画像表示用液晶パネル１７０の光入射側近傍（例えば入射側偏光板近傍）に第２画像１５５を形成するとともに、前記液晶パネル１７０に入射する光束に対して第２の映像信号に対応して再度光変調（第１画像を形成）することで、液晶パネル１７０を介して観視者から見て奥行き位置の異なる二つの画像（第２画像および第１画像）を時分割ではなく同時に表示することができる  しかしながら、本実施形態による映像表示装置１００により、観視者からみて奥行き位置の異なる複数の画像を同時に表示するだけでは、立体視が不十分である。そこで、前記した特許文献１で開示された３次元表示方法を適用する。すなわち、例えば、観視者２５０から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、３次元物体の観視者からの奥行き位置に応じて輝度を変えるようにする。具体的な一例として、例えば、観視者２５０から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、観視者に近い表示面（ここでは第１の表示面１７０ａ）ほど画像の輝度を上げ、観視者から遠い表示面（ここでは第２の表示面１５５ａ）になるほど画像の輝度を下げるようにする。
【００５１】
上記した制御を行うため、映像表示装置１００を３次元映像表示装置３００に適用する場合には、３次元映像表示装置３００は、映像表示装置１００に加えて、制御回路３１０を備える。
【００５２】
制御回路３１０は、第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０を駆動する第１のパネル駆動回路１９２および第２の光変調部としての液晶パネル１５０を駆動する第２のパネル駆動回路１９５に対して、第１画像と第２画像とで輝度差が生じるように制御する。例えば、第１のパネル駆動回路１９２に対して輝度を上げるように制御し、第２のパネル駆動回路１９５に対しては輝度を下げるように制御する。勿論、簡易的に、第２のパネル駆動回路１９５に対してのみ輝度を下げるようにしてもよい。
【００５３】
勿論、制御回路は、これに限定されるものではない。例えば、図１７に示すように、３次元映像表示装置３００Ａは制御回路３１０に代えて制御回路３１０Ａを備え、制御回路３１０Ａに映像信号１９１を入力し、制御回路３１０Ａで所定の信号処理を行って、輝度差を有する第１の映像信号（第１の光変調部用）と、第２の映像信号（第２の光変調部用）を生成し、生成した第１の映像信号１９３'と第２の映像信号１９６'をそれぞれ第１のパネル駆動回路１９２，第２のパネル駆動回路１９５に供給するようにしてもよい。
【００５４】
なお、３次元表示方法は上記で述べたものに限定されるものではなく、特許文献１に開示されている種々の輝度制御方法を用いてもよいことは明らかである。
【００５５】
ここで、本実施形態の映像表示装置１００が持つ３次元表示以外の他の特徴について、少し説明しておく。
【００５６】
本実施形態の映像表示装置１００においては、上記したように、画像のコントラスト比は、液晶パネル１５０のコントラスト比と画像表示用液晶パネル１７０のコントラスト比との積となるため、コントラスト比を格段に向上させることができる。
【００５７】
一方、第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０と較べ、十分小さな第２の光変調部としての液晶パネル１５０を用い、加えて、光源１１０のサイズも小さくすることができる。従って、画像表示用液晶パネル１７０と同サイズの高価な液晶パネルを用いる方式に較べて、投写装置やフレネルレンズシートが追加になるが、低解像度の液晶パネルが使用できる場合には、映像表示装置のコストを２／３〜１／２に低減することができる。
【００５８】
また、液晶パネル１５０を合成プリズム（図示せず）とブロック化し光源１１０それぞれを交換可能な方式とすることで、サービス性も大幅に向上する。
【００５９】
また、通常の直視型液晶映像表示装置と異なり画像表示用液晶パネル１７０の近傍に、熱源である光源（通常は冷陰極線管またはＬＥＤ）が隣接配置する必要がなく冷却構造の設計も容易となる。
【００６０】
上記では詳細に述べてないが、第２の光変調部としての液晶パネル１５０の１画素に第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０の複数画素とを対応させても、また逆に液晶パネル１５０の複数画素と画像表示用液晶パネル１７０の１画素とを対応させても、本発明はこれに限定されるものではない。液晶パネル１５０の１画素に画像表示用液晶パネル１７０の１画素（１画素は一組のＲ画素，Ｇ画素，１Ｂ画素を含む）を対応させるようにしてもよいことはいうまでもない。
【００６１】
また、光源に高圧水銀ランプを用いたが、白色光のＬＥＤやレーザを用いてもよい。１個のＬＥＤやレーザでは光量が不足する場合には、複数のＬＥＤやレーザを配列したものを用いてもよい。
【００６２】
また、第２の映像信号に対応して光源から光束を光変調する第２の光変調部として透過型の液晶パネルを用いたが、これに代えて、反射型光変調素子例えば反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）や微小ミラー素子（ＤＭＤ：Digital  Micro  Mirror  Dｅvice）などを用いてもよい。
【００６３】
次に、投写レンズ装置の一実施例について説明する。ここでは、映像表示装置の奥行き寸法を極力薄くするために、発明者らが出願した特開２００６−２９２９００号公報に記載の投写レンズ装置を適用する。
【００６４】
図２は、映像表示装置における投写レンズ装置の基本的な光学系の構成を示す断面図で、光学系の構成をＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面で示している。ここで、ＸＹＺ直交座標系の原点は、液晶パネル１５０の表示画面の中央とし、Ｚ軸は画像表示用液晶パネル１７０の法線８と平行であるものとする。Ｙ軸は画像表示用液晶パネル１７０の表示画面の短辺と平行であり、画像表示用液晶パネル１７０の縦（上下）方向と等しいものとする。Ｘ軸は、画像表示用液晶パネル１７０の表示画面の長辺と平行であり、画像表示用液晶パネル１７０の横（左右）方向と等しいものとする。また、図３は投写画像形成装置を構成する投写レンズ装置の斜視図で、図４は投写レンズ装置における光路の折り曲げを省略して示した投写レンズの断面図である。なお、図２において、図示を簡略化するために、光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０を省略している。
【００６５】
図２に示すように、投写レンズ装置１０は、液晶パネル１５０からフレネルレンズシート１６０，画像表示用液晶パネル１７０に向かう光路上において、液晶パネル１５０側から順に配置された、投写レンズ２と、第１反射ミラーとしての自由曲面ミラー４と、第２反射ミラーとしての平面反射ミラー５とを含んでなる。
【００６６】
液晶パネル１５０の表示画面上の第２原画像は、投写レンズ２で第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写される。このとき、直線的に投写すると所定の距離が必要となり、映像表示装置１００の奥行き寸法が長くなる。つまり、映像表示装置１００の奥行きが厚くなる。そこで、投写レンズ２から画像表示用液晶パネル１７０に向かう光路（例えば光線２１，２２，２３で示される光路）を自由曲面ミラー４と平面反射ミラー５とで折り返し、映像表示装置１００の奥行きを小さくするようにしている。さらに、液晶パネル１５０の画面の中央から出て画像表示用液晶パネル１７０の画面中央に向かう光線２１（以下、「画面中央光線」という）を、画像表示用液晶パネル１７０の入射面に対して非垂直（一般に、このような投写を「斜め投写」という）として、映像表示装置１００の奥行きを小さくしている。
【００６７】
投写レンズ２は、図２，図４から明らかなように、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成される前群１２と、少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有するレンズ（以下、「自由曲面レンズ」と称する）を含む後群１３とからなる。
【００６８】
図２において、投写レンズ２の長さが長いことから、液晶パネル１５０の位置が画像表示用液晶パネル１７０の法線８の方向に対して遠くなり、奥行きが厚くなるように見受けられるかもしれない。しかしながら、ここでは、図３に示すように、Ｘ軸（つまり、画像表示用液晶パネルの長辺）に平行に配置された前群１２の途中に光路折り曲げミラー１４を配置し、前群１２の光軸９（つまり投写レンズの光軸）をＺ軸方向（つまり、画像表示用液晶パネル１７０の法線８に平行な方向）に折り曲げ、奥行きの増大を防止するようにしている。勿論、本発明はこれに限定されるものではなく、自由曲面ミラー４と投写レンズ２の後群１３との間、あるいは投写レンズ２の前群１２と後群１３の間に光路を折り曲げる光路折り曲げミラーを配置するようにしてもよい。
【００６９】
本実施形態では、図２に示すように、液晶パネル１５０は、その表示画面の中央が投写レンズ２の光軸９上に配置されている。従って、液晶パネル１５０の表示画面の中央から出て投写レンズ２の入射瞳の中央を通って画像表示用液晶パネル１７０の画面中央に向かう画面中央光線２１は、投写レンズの光軸に沿って進む。この画面中央光線２１は、自由曲面ミラー４の反射面上の点Ｐ２で反射された後、平面反射ミラー５上の点Ｐ５で反射されて、画像表示用液晶パネル１７０の画面中央の点Ｐ８に画像表示用液晶パネルの入射面の法線８に対して所定の角度（θｓ）を以って（すなわち斜めに）入射される。
【００７０】
このことは、投写レンズ２の光軸９に沿って通過した光線が画像表示用液晶パネル１７０に対して斜めに入射していることであり、実質的に投写レンズ２の光軸が画像表示用液晶パネル１７０に対して斜めに設けられていることになる。このような方法で画像表示用液晶パネル１７０に斜め入射させると、投写した長方形の形状が台形になる所謂台形歪の他にも光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。そこで、本実施形態では、これ等を投写レンズ２の後群１３と自由曲面ミラー４の反射面とで補正するようにしている。
【００７１】
図２に示す断面内において、液晶パネル１５０の画面下端から投写レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応する画像表示用液晶パネル１７０の画面上端の点Ｐ９に入射する光線を光線２２とする。また、液晶パネル１５０の画面上端から投写レンズ２の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応する画像表示用液晶パネル１７０の画面下端の点Ｐ７に入射する光線を光線２３とする。図２を見ると、点Ｐ３から点Ｐ６を経由して点Ｐ９に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４を経由して点Ｐ７に到る光路長よりも長くなっている。これは、投写レンズ２から見て、画像表示用液晶パネル１７０の像点Ｐ９が像点Ｐ７よりも遠くにあることを意味している。そこで、画像表示用液晶パネル１７０の像点Ｐ９に対応する物点（液晶パネル１５０の表示画面上の点） がより投写レンズ２に近い点に、また、像点Ｐ７に対応する物点がより投写レンズ２から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、液晶パネル１５０の表示画面の中央における法線ベクトルを、投写レンズ２の光軸に対し傾けるようにする。具体的には、上記法線ベクトルを、ＹＺ平面内において、画像表示用液晶パネル１７０の位置する方へ向けるように傾ければよい。光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られている。しかしながら、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投写レンズでは補正が困難である。そこで、本実施形態では、回転対称でない、すなわち回転非対称の自由曲面を用い、非対称な像面の変形に対応している。このため、物平面を傾けることで低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。
【００７２】
次に、各光学要素の作用について説明する。投写レンズ２は、その前群１２が第２の光変調部としての液晶パネル１５０の第２原画像（光変調により得られた２次元画像）を第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０に拡大投写する（正確に言うならば、画像表示用液晶パネル１７０の入射側近傍で例えば図示しない入射側偏光板近傍に結像させる）ための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ２の後群１３は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでいる。ここでは、自由曲面レンズは、図２，図３，図４から明らかなように、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲されている。そして、自由曲面レンズの、画像表示用液晶パネル１７０の下端に向かう光線２３が通過する部分の曲率を、画像表示用液晶パネル１７０の上端に向かう光線２２が通過する部分の曲率よりも大きくしている。
【００７３】
自由曲面ミラー４は、回転非対称な自由曲面形状の反射面を有している。ここでは、自由曲面ミラー４は、その一部が光の反射方向に対して凸を向くように湾曲された、回転非対称の凸面ミラーとしている。具体的には、自由曲面ミラー４の、画像表示用液晶パネル１７０の下方に向かう光を反射する部分（Ｐ１）の曲率を画像表示用液晶パネル１７０の上方に向かう光を反射する部分（Ｐ３）の曲率よりも大きくしている。換言すれば、自由曲面ミラー４のＹＺ断面（画像表示用液晶パネル１７０の画面縦方向断面）において、画面中央光線２１が自由曲面ミラー４で反射される位置Ｐ２に対して、Ｐ１−Ｐ２間の寸法とＰ３−Ｐ２間の寸法とを異ならせ、次式が成立するようにしている。
【００７４】
【数２】
2008286896.tif 000004
また、自由曲面ミラー４の、画像表示用液晶パネル１７０の下方に向かう光を反射する部分（Ｐ１）が該光の反射方向に凸の形状を為し、画像表示用液晶パネル１７０の上方に向かう光を反射する部分（Ｐ３）が光の反射方向に凹の形状をなすようにしてもよい。
【００７５】
上記自由曲面レンズと自由曲面ミラーの作用により、主として、斜め入射によって生じる収差の補正が行われる。すなわち、本実施形態では、自由曲面ミラー４が主として台形歪を補正し、投写レンズ２の後群１３が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。
【００７６】
このように、本実施形態は、投写レンズ２が回転非対称の自由曲面レンズを少なくとも一枚含み、自由曲面ミラー４が回転非対称の自由曲面形状の反射ミラーをなしている。このために、斜め投写によって生じる台形歪と収差の両方を補正可能としている。この結果、第２の映像信号に基づいて液晶パネル１５０で光変調した第２原画像を拡大し、画像表示用液晶パネルに向けて投写するとともに、この映像光束を擬似的な２次光源として再度画像表示用液晶パネルにより第１の映像信号に基づいて光変調する。観視側からは奥行き位置の異なる２つの画像即ち第２画像１５５および第１画像１７５を時分割ではなく同時に観察することが出来る。
【００７７】
更に、これらの２つの画像（第２画像および第１画像）として、表示対象物を観視者の視線方向から投影した２次元画像を用い、その内の観視側から見て奥側の２次元画像を第２の光変調部としての液晶パネル１５０の拡大像（投写画像）で生成し、他方の観視側から見て手前側の２次元画像を前記第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０で表示することで、３次元画像の表示が可能な３次元映像表示装置が実現できる（例えば、図１６の説明参照）。このとき、画像の奥行き方向の情報量を増やして３次元画像の精細度を高めるには、前記第２画像としての投写画像（２次元画像）の表示画像数を増やせば良い事は言うまでも無い。
【００７８】
次に、以上述べた投写レンズ装置１０の光学系について、図５，図６と表１乃至表４を用いて具体的な数値を例示しつつ説明する。
【００７９】
図５と図６は、数値例に基づく本実施形態に係わる投写レンズ装置の光学系の光線図を示している。前述したＸＹＺ直交座標において、図５はＹＺ断面、図６はＸＺ断面での構成を示している。投写レンズ２は、図３で述べたように前群１２の途中に光路折り曲げミラー１４が配置されているが、図５では、この光路折り曲げミラー１４を省略しており、光学系をＺ軸方向に展開して示している。このことは図４でも同様である。光路折り曲げミラーは、設置の位置や角度に若干の任意性があり、また各光学要素の機能に影響を及ぼさない。従って、以下の説明では、光路折り曲げミラーを省略して説明することにする。
【００８０】
図５の下側に表示した液晶パネル１５０から射出した光は、複数のレンズを含む投写レンズ２のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前群１２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後群１３を通り、自由曲面ミラー４の反射面で反射される。その反射光は、平面反射ミラー５で反射された後、画像表示用液晶パネル１７０に入射される。
【００８１】
ここで、投写レンズ２の前群１２は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで構成されており、各屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここで用いられた回転対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、次の数式で表される。
【００８２】
【数３】
2008286896.tif 000005
ここで、ｒは光軸からの距離であり、Ｚはサグ量を表している。また、ｃは頂点での曲率、ｋは円錐定数、ＡからＪはｒのべき乗の項の係数である。
【００８３】
投写レンズ２の後群１３にある自由曲面レンズは、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む次の式で表わされる。
【００８４】
【数４】
2008286896.tif 000006
ここで、ＺはＸ、Ｙ軸に垂直な方向で自由曲面の形状のサグ量を表わしており、ｃは頂点での曲率、ｒはＸ、Ｙ軸の平面内での原点からの距離、ｋは円錐定数、Ｃ（ｍ、ｎ）は多項式の係数である。
【００８５】
表１は、本実施形態に係る光学系の数値データを示している。表１において、Ｓ０〜Ｓ２３は、図４に示された符号Ｓ０〜Ｓ２３にそれぞれ対応している。ここで、Ｓ０は液晶パネル１５０の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２３は自由曲面ミラー４の反射面を示している。またＳ２４は、図４では示されていないが、画像表示用液晶パネル１７０の入射面、すなわち像面を示している。なお、図４において、上図は本実形態に係る投写レンズ２および自由曲面ミラー４のＹＺ断面図、下の図は、その光学系のＸＺ断面図を表している。
【００８６】
表１において、Ｒｄは各面の曲率半径であり、図５の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また表１においてＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が図５の中で左側に位置するときには面間距離は正の値、右側に位置する場合は負の値で表している。さらに、表１においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、表１では面の番号の横に＊を付けて分かり易く示している。これら４つ面の非球面の係数を表２に示している。
【００８７】
表１において、Ｓ１９からＳ２２は、投写レンズ２の後群１３に含まれる自由曲面レンズの各屈折面であり、Ｓ２３は、上述したように自由曲面ミラー４の反射面であって、面の番号の横に＃を付けて示している。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を表３に示す。
【００８８】
本実施形態では、映像表示素子１１の表示画面である物面を、投写レンズ２の光軸に対して−１．１６３度傾けている。傾けの方向は、図５の断面内で物面の法線が反時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本実施例では物面を図５の断面内で、投写レンズ２の光軸に垂直な位置から時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。
【００８９】
Ｓ２３の自由曲面ミラー４は、そのローカル座標の原点を投写レンズ２の光軸上に置いている。そして、自由曲面ミラー４のローカル座標の原点での法線、すなわちＺ軸を、投写レンズ２の光軸と平行な位置から２９度傾けて配置している。傾けの方向は前記物面と同様に図５の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、従って反時計回りに傾けていることになる。これによって、液晶パネル１５０の画面中央から出てほぼ投写レンズ２の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、Ｓ２３で反射後、投写レンズ２の光軸に対して前記傾き角度の２倍の５８度だけ傾いた方向に進む。ここで、Ｓ２３の座標原点を通り、投写レンズ２の光軸対するＳ２３の傾き角度の２倍傾いた方向を、反射後の新たな光軸とし、以後の面はこの光軸上に配置されるものとする。表１のＳ２３に示した面間隔の値−４００は、次のＳ２４が、Ｓ２３の右側にあり前記反射後の光軸に沿って４００ｍｍの距離の点にローカル座標の原点を配置されていることを示している。以下の面も同じ規則により配置されている。
【００９０】
本実施例における、各面のローカル座標系の傾け又は偏心の様子を表４に示す。表４において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、ＡＤＥは図５の断面と平行な面内での傾きの大きさであり、その表示規則は上に示した通りである。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は図５の断面と平行な面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図５の断面において下側への偏心を正とする。尚、本実施例においては、ＹＤＥを０（すなわち偏心なし）としている。
【００９１】
本実施形態では、全ての光学要素の傾きや偏心は、図示した断面に平行な断面内での方向で設定される。
【００９２】
表１、表３から、本実施例では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することができる。
【００９３】
【表１】
2008286896.tif 000007
【００９４】
【表２】
2008286896.tif 000008
【００９５】
【表３】
2008286896.tif 000009
【００９６】
【表４】
2008286896.tif 000010
上記表１〜４の数値は、液晶パネル１５０の画面上における１６×９の範囲の光変調された光学像（調光像）を画像表示用液晶パネル１７０の画面上における１４５２．８×８１７．２の大きさに投写する場合の一例である。そのときの図形歪を図７に示す。図７の縦方向は図５の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図７の横方向は画像表示用液晶パネル１７０上でＹ軸と直交する方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。
【００９７】
本数値実施例のスポットダイアグラムを図８に示す。図８では、液晶パネル１５０の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向は画像表示用液晶パネル１７０上でのＸ方向、縦方向は画像表示用液晶パネル１７０上でのＹ方向である。このように、両者ともに、良好な性能を維持している。
【００９８】
以上、投写レンズ装置の一実施例について述べた。なお、上記では、投写レンズ２から出射された光線は自由曲面ミラー４で反射され、さらに平面反射ミラー５で折り返されて画像表示用液晶パネル１７０に向かうように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、投写レンズの配置位置によっては、上記した折り返し用の平面反射ミラーを省略してもよいことはいうまでもない。
【００９９】
次に、光方向変換部としてのフレネルレンズシート１６０の一実施例について説明する。
【０１００】
図９は、フレネルレンズシートの模式構成図で、その（ａ）図はフレネルレンズシートを投写装置側から見たときの斜視構成図、その（ｂ）図はＧ−Ｇ線に沿った断面構成図である。
【０１０１】
図９に示すように、フレネルレンズシート１６０は、画像表示用液晶パネル１７０の画面略中央側に対応して位置する屈折領域１６０Ｄと、画像表示用液晶パネル１７０の画面周縁側に対応して位置し、屈折領域１６０Ｄを取り囲むように配置された全反射領域１６０Ｅで構成されている。屈折領域１６０Ｄには、基材１６１の画像表示用液晶パネル１７０側とは逆側の面上に、複数の屈折型フレネルレンズ１６２が同心円状に複数形成されている。屈折型フレネルレンズ１６２は、投写レンズ装置１０から投写された入射角が所定値以内の光線Ｌ６１を屈折して画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させる機能を有する。また、全反射領域１６０Ｅには、基材１６１の画像表示用液晶パネル１７０側とは逆側の面上に、複数の全反射型フレネルレンズ１６７が同心円状に複数形成されている。全反射型フレネルレンズ１６７は、投写装置１０から投写された入射角が所定値以上の光線Ｌ６６を全反射して画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させる機能を有する。
【０１０２】
周知のように、フレネルレンズシートを屈折型フレネルレンズのみで構成すると、フレネルレンズシートに入射する入射角（法線とのなす角度）が大きくなると共に、フレネルレンズの入射面での反射が生じ易くなり、反射ロスが大幅に増加するために画面の周縁部で暗くなる。そこで、本実施例では、ＷＯ２００４／０４９０５９号公報の技術を適用し、第一の画像表示用液晶パネル１７０の周縁部で、投写装置１０からの入射角が所定値以上となる領域に、全反射型プリズムを配置する。
【０１０３】
まず、屈折領域１６０Ｄにおける屈折型フレネルレンズ１６２について説明する。
【０１０４】
フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄにおける任意の断面における各屈折型フレネルレンズのプリズム面１６３を繋ぎ合わせると一つの曲線（すなわち、包絡線）が得られる。得られた包絡線の全ての断面における集合は一つの仮想的な面を形成する。以下、この仮想面を「オリジナル面」というものとする。
【０１０５】
屈折領域１６０Ｄを構成する屈折型フレネルレンズに付随するオリジナル面は、投写型映像表示装置では、一般に球面とされるが、本実施形態では、特開２００６−１５４７１９号公報で開示されたフレネルレンズシートの技術を適用し、投写レンズ装置１０から画像表示液晶パネル１７０に入射する光線の入射角に応じた非球面形状とする。
【０１０６】
このとき、各プリズム面のフレネル角は、屈折領域１６０Ｄにおいて、下部よりも上部の方が大きくされる。これにより、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄの入射面に入射された光線が、画像表示用液晶パネル１７０の略全面に亘って、画像表示用液晶パネル１７０の入射面にほぼ垂直に入射するように変換される。
【０１０７】
次に、上記した屈折領域１６０Ｄに形成される屈折型フレネルレンズ１６２において、同心円状に形成された複数のプリズム面１６３の面形状（所謂、フレネルレンズのオリジナル面）を設定する方法について、図１０の模式図を参照して詳細に説明する。なお、上述したように、屈折領域１６０Ｄを構成する屈折型フレネルレンズのプリズム面は、ある一点（回転軸）を中心とする同心円状に形成されている。そして、各屈折型フレネルレンズのプリズム面のフレネル角（すなわち、プリズム面とフレネルレンズシート１６０の主平面とのなす角度）を定めるためのオリジナル面は、非球面形状である。ここでオリジナル面とは、上述したように、各プリズム面のフレネル角を定めるためのものであり、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ全体を一つのレンズとしたときの、このレンズ面を指す。すなわち、屈折型フレネルレンズのプリズム面のフレネル角を設定する場合には、まずフレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ全体がある一つのレンズ特性をもつものと想定し、そのレンズの面形状をオリジナル面として設定する。そして、そのオリジナル面の屈折領域１６０Ｄ各点に対応する形状（例えば当該各点におけるオリジナル面の接線）を屈折領域１６０Ｄの面上に展開する。これにより、屈折領域１６０Ｄの各
点におけるプリズム面のフレネル角が設定される。従って、フレネルレンズシートの屈折領域１６０Ｄ全体における各プリズム面を、そのフレネル角に応じて繋ぎ合わせた曲線、すなわちフレネルレンズシートの屈折領域１６０Ｄ全体における全プリズム面の集合を含む包絡線が、上記オリジナル面を表している。つまり、屈折領域１６０Ｄの各点のプリズム面における光の屈折方向は、その各プリズムに対応する上記オリジナル面の形状によって定まる。なお、上記回転軸は、フレネルレンズシート１６０の主平面（図１０のＸＹ面）と直交するものとする（図のＺ軸を含む面）。また、この回転軸は、フレネルレンズシート１６０に入射する光線２５と、フレネルレンズシート１６０を左右に等しく垂直に分割する面１６５（ＹＺ面に平行な面）とが交わる点Ｐ１５とを含む。すなわち、回転軸はフレネルレンズシート１６０の主平面に垂直（第一の画像表示用液晶パネル１７０の法線８と平行）な軸、すなわち、図１０の軸１６６となる。
【０１０８】
但し、上記において、入射する光線２５は画像表示用液晶パネル１７０上の位置によってその入射角度（入射面の法線に対する角度）が変化することから、ここでは、上記によって求められる軸１６６も複数個が存在することとなる。なお、これら複数の軸の中から、そのほぼ中央にある軸を屈折型フレネルレンズの回転軸（即ち、屈折型フレネルレンズを構成する同心円状プリズムの中心位置）とする。
【０１０９】
続いて、上記各プリズム面のフレネル角の形状（角度）を次のように求める。まず、画像表示用液晶パネル１７０への入射光線を屈折領域１６０Ｄのプリズム面で屈折させながら、上記法線方向（出射角が０度）に出射させるためのプリズムの角度を、屈折領域１６０Ｄ各点のそれぞれについてスネルの法則により求める。次に、当該求めたプリズム面を連続させて、上記屈折型フレネルレンズのオリジナル面（非球面）を形成する。
【０１１０】
なお、この求められるオリジナル面は、数３の非球面式により近似される。
【０１１１】
【数５】
2008286896.tif 000011
ここで、ＺはＺ軸に平行な面のサグ量、ｒは回転軸からの距離、ｃは頂点での曲率、ｋはコーニック定数（円錐定数）、ＡからＦはｒのべき乗の項の係数（非球面係数）である。
【０１１２】
このとき、更に、近似した非球面係数と実際の光線出射角との比較を行い、出射角が略０度になるように、回転軸の位置や非球面係数に、適宜、必要な修正及び／又は変更を加える。
【０１１３】
このように、上記求められる要素、つまり屈折型フレネルレンズを構成する同心円状のプリズム部の回転中心となる回転軸の位置や、その各プリズム面の集合で形成されるオリジナル面の非球面係数によって、上記フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ部分が構成される。
【０１１４】
上記過程を経て構成されたフレネルレンズシート１６０の模式断面図を図１１に示す。図１１は、フレネルレンズシート１６０の、該フレネルレンズシート１６０の法線と平行であって、かつ上記回転軸を含む断面を示している。
【０１１５】
図１１において、Ｚ＝ｆ(ｒ)はフレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄにおける屈折型フレネルレンズに付随する非球面形状のオリジナル面１６４を表す多項式であり、数５で表されるものである。ｒは上記数５のｒに対応するもので、回転軸からの距離を表す。距離ｒ１における屈折型フレネルレンズのプリズム面１６３のフレネル角θ１（フレネルレンズシート１６０の主平面とプリズム面のなす角度）は、距離ｒ１におけるオリジナル面１６４の傾き（接線）とほぼ等しい。すなわち、数３で表されるオリジナル面の非球面式をＺ＝ｆ(ｒｎ )、ｎを１以上の整数としたとき、屈折領域１６０Ｄの各位置のフレネル角θｎは、数６で表される。
【０１１６】
【数６】
2008286896.tif 000012
よって、θ１ ＝ｆ(ｒ１ )´、θ２ ＝ｆ(ｒ２ )´、θ３ ＝ｆ(ｒ３ )´…となる。このように、屈折領域１６０Ｄの各位置のフレネル角θｎ は、非球面式の各位置（各距離ｒｎ）における微分値にほぼ対応している。このようにして、フレネルレンズシート１６０における屈折領域１６０Ｄの各位置のフレネル角θｎが設定される。
【０１１７】
上述したように、投写レンズ装置１０からフレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄに入射された光線は、屈折型フレネルレンズの各プリズム面１６３によって屈折される。上述したように、屈折型フレネルレンズのオリジナル面１６４を、屈折領域１６０Ｄ各位置への入射光線の入射角に応じた非球面形状にすれば、各プリズム面１６３によって屈折されたそれぞれの光線は、フレネルレンズシート１６０の法線とほぼ平行になる。ここでは、図１１から明らかなように、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ上部に位置する（すなわち、画像表示用液晶パネルの縦方向上部で回転軸から遠い位置の）プリズム面１６３のフレネル角θは、フレネルレンズシート１６０の屈折領域１６０Ｄ下部に位置する（すなわち、画像表示用液晶パネルの縦方向下部で回転軸に近い位置の）プリズム面１６３のフレネル角θよりも大きくしている。これは、本実施形態における斜め投写では、画像表示用液晶パネル下部よりも画像表示用液晶パネル上部の方が光線の入射角が大きいためである。
【０１１８】
次に、全反射領域１６０Ｅにおける全反射型フレネルレンズ１６７について、図１１を参照して説明する。
【０１１９】
図１１に示すように、全反射領域１６０Ｅの全反射型フレネルレンズは、屈折面１６７１と全反射面１６７２とを含んでなる。全反射領域１６０Ｅにある全反射型フレネルレンズ１６７に入射した光線Ｌ６６は、その屈折面１６７１で屈折を受け、全反射面１６７２に向かう。そして、全反射面１６７２で全反射され、フレネルレンズシート１６０を出射して、画像表示用液晶パネル１７０に垂直に入射する。
【０１２０】
入射光線を画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させるためには、全反射面１６７２と主平面とのなす角αを、投写装置１０に近い全反射型フレネルレンズから遠い全反射型フレネルレンズに掛けて徐々に小さくなるように設定し、また、屈折面１６７１と主平面とのなす角βを、逆に、投写レンズ装置１０に近い全反射型フレネルレンズから遠い全反射型フレネルレンズに掛けて徐々に大きく設定するようにすればよい。このようにして、全反射領域に入射した光線を画像表示用液晶パネル１７０へ垂直に出射させることができる。
【０１２１】
以上述べたようにフレネルレンズシート１６０を構成すれば、投写レンズ装置１０から画像表示用液晶パネル１７０に向けて投写される光線を、画像表示用液晶パネル１７０への入射角が略０度となるように変換して出射させることが可能となる。従って、本実施形態によるフレネルレンズシートを用いれば、投写レンズ装置１０からの光線が画像表示用液晶パネル１７０の法線に平行（つまり、画像表示用液晶パネル１７０に垂直）に入射するので、画像表示用液晶パネル１７０において高コントラストの画像を表示することができることにな
る。
【０１２２】
なお、上記したフレネルレンズシート１６０では、シートの入射側に、屈折領域と全反射領域を設けることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明者らが出願した特開２００５−９１５４１号公報に記載が如く、シートの入射側で、入射角が所定以上の周縁部に全反射領域を設け、シートの出射側で、入射角が所定以下の中央部に屈折領域を設けるようにしてもよい。
【実施例１】
【０１２３】
図１に示す映像表示装置では、光源１１０から液晶パネルに照射される光量分布（光強度分布、照度分布ともいう）が一様化（均一化）されてないため、画像表示用液晶パネル上の画像において明るさにムラが生じる恐れがある。そこで、光源と液晶パネルとの間に光源からの照明光の光量分布を一様化するインテグレータを挿入した実施例１による投写画像形成装置について、図１２を用いて説明する。
【０１２４】
図１２は、実施例１による投写画像形成装置の模式構成図である。
【０１２５】
図１２に示すように、本実施例の投写画像形成装置は、光源１１０と、対をなしてマルチレンズ方式インテグレータ１２０として機能する第１のマルチレンズ素子１２１および第２のマルチレンズ素子１２２と、偏光変換素子１３０Ａと、重畳レンズ１４１と、フィールドレンズ１４５と、第二の液晶パネル１５０と、投写レンズ装置１０と、を含んでなる。
【０１２６】
光源１１０は、ランプ１０１と、リフレクタ１０２とからなる。ランプ１０１は、高圧水銀ランプの白色ランプである。リフレクタ１０２は、ランプ１０１を背後側から覆うように配置された、例えば回転放物面形状の反射面を有するもので、円形ないし、多角形の出射開口を持つ。
【０１２７】
ランプ１０１から射出された光は、回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ１０２によって反射され、光軸１１５に略平行となり、光源１１０から略平行の光束が射出される。光源１１０から射出された光は、マルチレンズ方式のインテグレータに入射する。
【０１２８】
マルチレンズ方式インテグレータ１２０は、第１のマルチレンズ素子１２１と第２のマルチレンズ素子１２２とからなる。
【０１２９】
第１のマルチレンズ１２１は、光軸１１５方向から見て第２の光変調部としての液晶パネル１５０，第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０とほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリックス状に配設されたもので、光源から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２のマルチレンズ素子１２２と偏光変換素子１３０Ａを通過するように導く。すなわち、第１のマルチレンズ素子１２１は、ランプ１０１と第２のマルチレンズ素子１２２の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。
【０１３０】
第１のマルチレンズ素子１２１と同様に、光軸１１５方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第２のマルチレンズ素子１２２は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１のマルチレンズ素子１２１のレンズセルの形状を、それぞれ重畳レンズ１４１と共に液晶パネル１５０上に投影（写像）する。
【０１３１】
この過程で、偏光変換素子１３０Ａで第２のマルチレンズ素子１２２からの光は所定の偏光方向に揃えられる。そして、第１のマルチレンズ素子１２１の各レンズセルによる投影像は、それぞれ重畳レンズ１４１により重畳され、フィールドレンズ１４５で光軸１１５にほぼ平行となるようにされた後、液晶パネル１５０上に重ね合わせられる。
【０１３２】
なお、第２のマルチレンズ素子１２２とこれに近接して配設される集光レンズ１４１とは、第１のマルチレンズ素子１２１の各レンズセルと液晶パネル１５０とが、光学的に物体と像の関係（即ち、共役な関係）になるように設計されているので、第１のマルチレンズ素子１２１で複数に分割された光束は、第２のマルチレンズ素子１２２と重畳レンズ１４１によって、液晶パネル１５０上に重畳して投影され、液晶パネル１５０上の光量分布が一様とされる。
【０１３３】
ここで、偏光変換素子１３０Ａの偏光変換作用について図１３を用いて説明しておく。図１３は、偏光変換素子を光軸を含み液晶パネルの長辺に沿って切断した断面構成図である。
【０１３４】
図１３に示すように、偏光変換素子１３０Ａは、第二の液晶パネル１５０の短辺に平行な方向に沿って伸びた平行四辺形柱である透光性部材３１が、光軸１１５方向に対して直交する面に平行して、液晶パネル１５０の長辺に平行な方向に複数アレイ状に配列され、アレイ状に配列され隣接する透光性部材３１間の界面に交互に偏光ビームスプリッタ膜（以下、「ＰＢＳ膜」と省略する）３２と反射膜３３が形成されている。また、偏光変換素子１３０Ａの入射側の開口部３５を通り、ＰＢＳ膜３２を透過した光が出射する出射面にはλ／２位相差板３４が備えられている。また、偏光変換素子１３０Ａは、光軸１１５と平行四辺形柱の透光性部材５１の延伸方向とで形成される面（光軸１１５を平面であり、以下、この面を便宜上「光軸面」と称する）Ｓ１１５に対して対称に構成されている。
【０１３５】
以上のように構成された偏光変換素子１３０Ａに、第１のマルチレンズ素子１２１，第２のマルチレンズ素子１２２を通って開口部３５に入射した光線３７のうち、例えばＳ偏光光はＰＢＳ膜３２で反射され、対向する反射ミラー３３で反射されてＳ偏光光で出射する。またＰ偏光の光はＰＢＳ膜３２を透過し、出射面のλ／２位相差板３４によりＳ偏光の光に変換されて出射する。このような基本と成る偏光変換部３０が複数構成され、偏光変換素子１３０Ａは入射した光の偏光方向を所定偏光方向の光（ここではＳ偏光の光）に揃えて出射させる。Ｐ偏光の光の揃える場合には、Ｓ偏光光の出射面にλ／２位相差板３４を設けるようにすればよい。
【０１３６】
以上述べたように、対をなす第１のマルチレンズ素子１２１と第２のマルチレンズ素子１２２で構成されたマルチレンズ方式インテグレータ１２０で液晶パネル１５０を均一照明することができる。
【実施例２】
【０１３７】
実施例１では、照明光を一様化（均一化）するインテグレータとして、対をなす第１のマルチレンズ素子と第２のマルチレンズ素子とからなるマルチレンズ方式インテグレータ１２０を用いた。次に、インテグレータの一種であるロッド型インテグレータを用いた実施例２による投写画像形成装置について図１４を参照しながら説明する。
【０１３８】
なお、ロッド型インテグレータとしては、ライトファネルやロッドレンズなどがあるが、ここではライトファネルを用いる。また、液晶パネルとして、反射型の液晶パネルを用いる。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ライトファネルに代えてロッドレンズを用いてもよく、また、光学系の構成が変わるが、反射型液晶パネルに代えて微小ミラーを複数２次元配列したＤＭＤ（Digital  Micro  Mirror  Device）素子や透過型の液晶パネルを用いてよい。
【０１３９】
図１４は、実施例２による投写画像形成装置の模式構成図である。
【０１４０】
図１４に示すように、本実施例の投写画像形成装置は、光源１１０Ｂと、インテグレータとして機能するライトファネル１２５と、偏光変換素子１３０Ｂと、集光レンズ１４２と、フィールドレンズ１４６と、偏光板１５１と、偏光ビームスプリッタプリズム（以下、「ＰＢＳプリズム」と省略する）１５２と、反射型液晶パネル１５０Ｂと、偏光板１５３と、投写レンズ装置１０と、を含んでなる。
【０１４１】
光源１１０Ｂは、ランプ１０１と、リフレクタ１０３とからなる。ランプ１０１は、高圧水銀ランプの白色ランプである。リフレクタ１０３は、ランプ１０１を背後側から覆うように配置された、回転楕円面形状の反射面を有する。
【０１４２】
リフレクタ１０３の第１焦点に配置されたランプ１０１から射出された光は、回転楕円面形状の反射面を有するリフレクタ１０３によって反射され、リフレクタ１０３の第２焦点位置近傍に配置されているライトファネル１２５の入射面１２５ａに集光し入射する。
【０１４３】
すなわち、リフレクタ１０３は、ランプ１０１から射出された光をライトファネル１２５の入射面１２５ａに集光する集光部として機能する。勿論、実施例１と同様に、リフレクタ１０３として回転放物面形状の反射ミラーを用い、集光レンズでライトファネル１２５の入射面１２５ａに集光するようにしてもよい。
【０１４４】
ライトファネル１２５は、万華鏡のように中空の光パイプ（所謂ライトパイプ）で構成され、入射した光を複数回全反射を繰り返して入射光の光量分布を一様（均一）にする機能を有する。ここでは、光軸１１５に直交する断面の面積が出射側に次第に大きくなるライトパイプをもちいる。しかし、中身が詰まったロッドレンズを用いてもよい。
【０１４５】
ライトファネル１２５に入射した光線は、ライトファネルの側面で全反射を繰り返し、出射面１２５ｂでは様々な角度の光が重畳された状態となり、光量分布が一様となる。また、ライトファネル１２５の断面形状が出射側に大きくなっているので、出射面１２５ｂから出射する光線角度は光軸にほぼ平行となっている。ライトファネル１２５を出射した光は偏光変換素子１３０Ｂに入射する。
【０１４６】
偏光変換素子１３０Ｂは、ライトファネル１２５の出射面１２５ｂに設けられたＰＢＳ膜４１ａを有するＰＢＳプリズム４１と、ＰＢＳプリズム４１のＰＢＳ膜４１ａで反射されるＳ偏光光が向かう側に配置された全反射膜４２ａを有する全反射プリズム４２と、ＰＢＳプリズム４１のＰＢＳ膜４１ａを透過するＰ偏光光が出射する出射面４１ｂに設けられたλ／２位相差板４３とを含んでなる。
【０１４７】
ライトファネル１２５から偏光変換素子１３０ＢのＰＢＳプリズム４１に入射した光量分布が一様な偏りのない光の内、Ｓ偏光の光（Ｓ偏光光）はＰＢＳ膜４１ａで反射され、全反射プリズム４２に入射し、全反射膜４２ａで反射されて、全反射プリズムの出射面４２ｂから出射する。また、ＰＢＳプリズム４１に入射したＰ偏光の光（Ｐ偏光光）はＰＢＳ膜４１ａを透過し、出射面４１ｂから出射し、さらにλ／２位相差板４３でＳ偏光光に変換され出射する。このようにして、偏光変換素子１３０Ｂに入射した偏りのない光は、偏光変換素子１３０ＢでＳ偏光光に揃えられる。
【０１４８】
なお、偏光変換素子１３０Ｂには、出射側に広がったライトファネル１２５でほぼ光軸１１５に平行とされた光線が入射するので、ＰＢＳ膜４１ａで効率よく偏光分離することができる。また、出射面４１ｂと出射面４２ｂで構成される偏光変換素子１３０Ｂの出射面の形状は、反射型液晶パネル１５０Ｂとほぼ相似とされている。
【０１４９】
集光レンズ１４２は、偏光変換素子１３０Ｂの出射面を、反射型液晶パネル１５０Ｂに写像するリレーレンズである。
【０１５０】
偏光変換素子１３０Ｂから出射したＳ偏光光は、集光レンズ１４２で集光され、フィールドレンズ１４６で光軸１１６にほぼ平行とされ、偏光板１５１を通り、ＰＢＳプリズム１５２で反射されて反射型液晶パネル１５０Ｂに入射する。
【０１５１】
反射型液晶パネル１５０Ｂで変調されて形成された調光像はＰ偏光光なので、今度はＰＢＳプリズム１５２を透過し、偏光板１５３でコントラストが高められ、投写レンズ装置１０で画像表示用液晶パネルに向けて拡大投写される。
【実施例３】
【０１５２】
実施例３による映像表示装置について、図１５を用いて説明する。
【０１５３】
本実施例の映像表示装置は、実施例２と、ライトファネル１２５の入射面１２５ａ近傍に時分割色分離部としてカラーホイールを配置した点で異なる。カラーホイールを用いれば、単色表示（例えば、白黒表示）を行う画像表示用光変調部でカラー画像を時分割表示（色順次表示）することができる。従って、カラー表示を行う場合、１画素は一組のカラー画素（Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素）で構成されるが、単色表示の場合、１画素で表示するので、全体の画素数が少ないパネルを用いることができる。このため、コストダウンを図ることができる。
【０１５４】
図１５は、実施例３による映像表示装置の模式構成図である。
【０１５５】
図１５において、１８０はカラーホイール、１７０Ｂは上記した単色表示を行う画像表示用液晶パネルである。
【０１５６】
カラーホイール１８０は、例えばＲ光（赤色光）を透過するＲ光フィルタ１８１、Ｇ光（緑色光）を透過するＧ光フィルタ１８２、Ｂ光（青色光）を透過するＢ光フィルタ１８３が周方向に所定の割合で形成された円盤であり、その中心に回転軸(図示せず)を有しており、図示しない駆動部により高速回転する。このように構成されたカラーホイール１８０は、光源１１０Ｂとライトファネル１２５との間で、ライトファネル１２５の入射面１２５ａの近傍に配置されている。
【０１５７】
光源１１０Ｂから射出される略白色の集束光は、カラーホイール１８０により時分割でＲ光，Ｇ光，Ｂ光に色分離される。
【０１５８】
そして、カラーホイール１８０で色分離された色光はライトファネル１２５に入射し、光量分布が一様化された後、偏光変換素子１３０ＢでＳ偏光光とされ、さらに、第２の光変調部としての反射型液晶パネルにより第２の映像信号に従い変調され、該変調された画像は投写レンズ装置１０により第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０Ｂ上に拡大照射される。画像表示用液晶パネル１７０Ｂは、照射された変調拡大画像を擬似的な２次光源として第１の映像信号に従い再度変調を行うことで高コントラストな画像を形成する。このような過程により、画像表示用液晶パネル１７０Ｂには、時分割でＲ光の画像、Ｇ光の画像、Ｂ光の画像が形成され、視覚的にカラー画像として認識される。
【０１５９】
本実施例により、カラー直視型映像表示装置のコストダウンを図ることが可能となる。
【０１６０】
なお、上記では、第２の光変調部に反射型液晶パネルを用いたが、微小ミラーを２次元配列したＤＭＤ素子を用いてもよい。ＤＭＤ素子は、液晶パネルよりもコントラスト比が大きいので、より好適に用いることができる。
【０１６１】
ところで、以上述べた実施例では、画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側と出射側に偏光板を備えるものとした。しかし、直視型映像表示装置の場合、画面サイズが大きい。そこで、第２の光変調部として液晶パネルを用いる場合、液晶パネルの光路上の前後に配置される偏光板、例えば出射側偏光板を２枚として偏光度を高めれば、第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側偏光板を削除することが可能となる可能性がある。この場合、液晶パネルに付随する偏光板のサイズは、ほぼ液晶パネルと同等であり、出射側偏光板を２枚構成とするコストアップよりも、画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側偏光板を削除するコストダウンが大きく、映像表示装置のコストダウンを図ることができる。また、第２の光変調部としてとしてＤＭＤ素子を用いる場合、ＤＭＤ素子は、液晶パネルよりもコントラスト比が十分に大きく取れるので、第１の光変調部としての画像表示用液晶パネル１７０Ｂの入射側偏光板を削除できる可能もある。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】本発明による一実施形態の映像表示装置を模式的に示した構成図。
【図２】本発明に係わる映像表示装置における投写レンズ装置の基本的な光学系の構成を示す断面図。
【図３】投写レンズ装置を構成する投写レンズの斜視図。
【図４】投写レンズの断面図。
【図５】本実施形態に係わるＹＺ断面における投写光学系の光線図。
【図６】本実施形態に係わるＸＺ断面における投写光学系の光線図。
【図７】本実施形態に係わる投写光学系の歪性能を表す図。
【図８】本実施形態に係わる投写光学系のスポット性能を表す図。
【図９】本実施形態に係わるフレネルレンズシートの模式構成図。
【図１０】屈折領域１６０Ｄの屈折型フレネルレンズを構成するプリズム面形状を設定する方法の説明図。
【図１１】屈折領域１６０Ｄにおけるプリズム面とオリジナル面との関係を示す図。
【図１２】実施例１による投写画像形成装置の模式構成図。
【図１３】実施例１による偏光変換素子を光軸を含み液晶パネルの長辺に沿って切断した断面構成図。
【図１４】実施例２による投写画像形成装置の模式構成図。
【図１５】実施例３による映像表示装置の模式構成図。
【図１６】本実施形態に係わる３次元表示方法の原理を説明するための図。
【図１７】本発明による一実施形態の３次元映像表示装置の変形例を模式的に示した構成図。
【符号の説明】
【０１６３】
２…投写レンズ、４…自由曲面ミラー、５…平面反射ミラー、９…光軸、１０…投写レンズ装置、１２…前群、１３…後群、１４…光路折り曲げミラー、２１…画面中央光線、２２，２３…光線、２５…光線、３０…偏光変換部、３１…透光性部材、３２…ＰＢＳ膜、３３…反射膜、３４…λ／２位相差板、３５…開口部、３７…光線、４１…ＰＢＳプリズム、４１ａ…ＰＢＳ膜、４１ｂ…出射面、４２…全反射プリズム、４２ａ…全反射膜、４２ｂ…出射面、４３…λ／２位相差板、１０１…ランプ、１０２…リフレクタ、１０３…リフレクタ、１１０…光源、１１５…光軸、Ｓ１１５…光軸面、１１６…光軸、１２０…マルチレンズ方式インテグレータ、１２１…第１のマルチレンズ素子、１２２…第２のマルチレンズ素子、１２５…ライトファネル、１２５ａ…入射面、１２５ｂ…出射面、１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ…偏光変換素子、１４１…重畳レンズ、１４２…集光レンズ、１４５…フィールドレンズ、１４６…フィールドレンズ、１５０…液晶パネル、１５０Ｂ…液晶パネル、１５１…偏光板、１５２…ＰＢＳプリズム、１５３…偏光板、１５５…第２画像、１６０…フレネルレンズシート、１６０ａ…第２の表示面、１６０Ｄ…屈折領域、１６０Ｅ…全反射型領域、１６１…基材、１６２…屈折型フレネルレンズ、１６３…プリズム面、１６４…オリジナル面、１６５…フレネルレンズシートを左右均等に垂直分割する面、１６６…回転軸、１６７…反射型フレネルレンズ、１６７１…屈折面、１６７２…全反射面、１７０，１７０Ｂ…画像表示用液晶パネル、１７０ａ…第１の表示面、１７５…第１画像、１８０…カラーホイール、１８１…Ｒ光フィルタ、１８２…Ｇ光フィルタ、１８３…Ｂ光フィルタ、１９１…映像信号、１９２…第１のパネル駆動回路、１９３…第１の映像信号、１９５…第２のパネル駆動回路、１９６…第２の映像信号、２００…投写画像形成装置、３００，３００Ａ…３次元映像表示装置、３１０，３１０Ａ…制御回路、Ｌ６１…光線、Ｌ６６…光線、１００…映像表示装置。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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