(57)【要約】【課題】多くのコストを要することなく、第１、第２光変調素子間でのモアレや回折による表示画質の低下を抑制することができ、表示品位の向上を図りつつ、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現できる画像表示装置を提供する。【解決手段】本発明の画像表示装置は、光源と、複数の画素を有し、光源から射出された光を変調する第１光変調素子（色変調用ライトバルブ８）と、複数の画素を有し、第１光変調素子から射出された光を変調する第２光変調素子（輝度変調用ライトバルブ９）と、第１光変調素子と第２光変調素子との間に配置され、第１光変調素子による光学像を所定の位置に結像して結像面を生成するリレー光学系（リレーレンズ５）とが備えられ、第２光変調素子の画素面が第１光変調素子による前記光学像の結像面から離れた位置に配置されている。【選択図】図２
2008197385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、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、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記第１光変調素子から射出された光を変調する第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置され、前記第１光変調素子による光学像を所定の位置に結像して結像面を生成するリレー光学系と、が備えられ、
前記第２光変調素子の画素面が、前記第１光変調素子による前記光学像の結像面から離れた位置に配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記第１光変調素子および前記第２光変調素子のうちの一方が、前記光源から射出される光の波長域のうち、異なる波長域を有する複数の色光をそれぞれ変調する複数の色変調用ライトバルブで構成され、
前記第１光変調素子および前記第２光変調素子のうちの他方が、前記光源から射出される光の波長域のうち、全ての波長域の光を変調する輝度変調用ライトバルブで構成され、
前記第２光変調素子により変調された光を被投写面に向けて投写する投写光学系を備え、
前記色変調用ライトバルブが、前記投写光学系、または、前記投写光学系と前記リレー光学系によって、前記被投写面と光学的に共役関係にあることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記第１光変調素子が、前記光源から射出される光の波長域のうち、異なる波長域を有する複数の色光をそれぞれ変調する複数の色変調用ライトバルブで構成され、
前記第２光変調素子が、前記複数の色変調用ライトバルブによって変調された光の波長域のうち、全ての波長域の光を変調する輝度変調用ライトバルブで構成され、
前記第２光変調素子による前記第１光変調素子の前記画素の１次回折像と前記第１光変調素子の前記画素の０次回折像との間の距離が、前記第１光変調素子の前記複数の画素の画素ピッチ以下になるように、前記第２光変調素子の画素面と前記第１光変調素子による前記光学像の結像面との間隔が設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第２光変調素子の画素面と前記第１光変調素子による前記光学像の結像面との間隔をＤ、前記光学像の結像面における０次画素像間のピッチをｐとしたときに、下記の（１）式および（２）式を満足することを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
Ｄ≦ｐ／tan［sin-1（λ／ｐ２）］  …（１）
ｐ＝ｍｒ・ｐ１                   …（２）
（ただし、λ：光の波長、ｐ１：第１光変調素子の画素ピッチ、ｐ２：第２光変調素子の画素ピッチ、ｍｒ：リレー光学系の結像倍率）
【請求項５】
前記第２光変調素子の画素ピッチが前記第１光変調素子の画素ピッチより大きいことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
光源と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、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、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記第１光変調素子から射出された光を変調する第２光変調素子と、が備えられ、
前記第２光変調素子による前記第１光変調素子の前記画素の１次回折像と前記第１光変調素子の前記画素の０次回折像との間の距離が、前記第１光変調素子の前記複数の画素の画素ピッチ以下になるように、前記第２光変調素子の画素面と前記第１光変調素子の画素面との間隔が設定されていることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関し、特に第１光変調素子、第２光変調素子の２段の光変調素子を備えた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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ましく、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。しかしながら、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１〜１０２［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１０−２〜１０４［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、視聴者は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。
【０００３】
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。ところが、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、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の実現への要求が高まると予想される。
【０００４】
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写型表示装置（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。
【０００５】
プロジェクタにおける輝度ダイナミックレンジ拡大のための基本的な構成は、光源からの射出光束を第１光変調素子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第２光変調素子上に伝達し、第２光変調素子によってさらに変調を加えた上で照明するというものである。光変調素子としては、光伝搬特性が独立に制御可能な画素構造あるい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光変調素子が用いられている。その代表的な例としては、液晶ライトバルブがあげられる。中でも、第１光変調素子と第２光変調素子との間の光路上にリレーレンズを配置し、リレーレンズによって第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の入射面に伝達する構成が、下記の特許文献１に開示されている。あるいは、透過型光変調素子に代えて、反射型光変調素子を用いてもよく、その代表例としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子が挙げられる。
【０００６】
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。従来の投写型表示装置はこの光変調素子を単体で使用する構成であり、輝度ダイナミックレンジは６０／０．２＝３００となる。これに対して、上記のディスプレイ装置は、各々が３００の輝度ダイナミックレンジを有する２段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ため、理論上は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って８ビットを超える階調数を得ることができる。
なお、第１光変調素子および第２光変調素子は、映像信号から作られた第１変調信号、第２変調信号によってそれぞれ別個に駆動される。  
【特許文献１】特開２００５−２５０４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の投写型表示装置においては、リレーレンズを用いて第１光変調素子の光学像を第２光変調素子に伝達しているが、リレーレンズの光学収差や製造誤差等に起因して第１光変調素子の光学像に結像倍率のずれや歪みが生じたり、光学像と第２光変調素子とのアライメントにずれが生じたりする。その結果、第１光変調素子と第２光変調素子の画素の格子構造同士が干渉してモアレが発生し、表示画質が著しく低下する、という課題があった。また逆に、モアレの発生を抑えるためには高精度のリレーレンズやアライメント機構を使用しなければならず、装置のコストが高騰する、という課題もあった。
【０００８】
この種の課題を解決するためには、第１光変調素子と第２光変調素子との間にリレーレンズを配置しない構成が考えられる。しかしながら、その場合であってもスクリーン上には第１光変調素子の光学像が投影されるため、第１光変調素子から射出した光が第２光変調素子を通る際に回折作用を受けて、スクリーンへの投影画像が多重像となってしまい、表示画質が劣化する、という課題がある。さらに、リレーレンズを用いない場合には、１画素単位での細かな輝度制御が行えないため、きめ細かな画像表現ができない、といった課題もある。
【０００９】
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、多くのコストを要することなく、第１、第２光変調素子間でのモアレや回折による表示画質の低下を抑制することができ、表示品位の向上を図りつつ、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現できる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、光源と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、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、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記第１光変調素子から射出された光を変調する第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置され、前記第１光変調素子による光学像を所定の位置に結像して結像面を生成するリレー光学系と、が備えられ、前記第２光変調素子の画素面が前記第１光変調素子による前記光学像の結像面から離れた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
なお、ここで言う「画素面」とは、光変調素子の画素格子構造が形成された面のことである。例えば光変調素子として液晶ライトバルブを用い、液晶装置を構成する一対の基板のうち、一方の基板の液晶層側の面に格子状の遮光層（いわゆるブラックマトリクス）が形成されている場合、その遮光層が形成されている面を画素面と呼ぶ。ただしこの場合、液晶装置の全体の厚さに対する各種の膜の膜厚の比率を考慮すると、一方の基板の液晶層側の遮光層が形成された面は液晶装置の全体の厚さの中で略液晶層が配置されている面と近似して良く、したがって、液晶層の面が画素面であると考えて良い。
【００１２】
ところで、第１、第２光変調素子の２段の光変調素子を備えた画像表示装置において、第１光変調素子による光学像をリレー光学系で結像させる際には第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の画素面に結像させるというのが従来の考え方であった。その結果、リレーレンズの光学収差や製造誤差等に起因するモアレが発生し、画質を低下させていた。これに対して、本発明の画像表示装置は、第２光変調素子の画素面が第１光変調素子の光学像の結像面から離れた位置にあるため、第２光変調素子の画素面上では第１光変調素子の光学像がデフォーカス状態となり、モアレの発生を抑えることができる。また、本発明の構成は、第１光変調素子、リレー光学系、第２光変調素子の相互の位置関係を調整するだけで実現でき、高精度のリレーレンズやアライメント機構を使用する必要がないため、コストが高騰することもない。
【００１３】
また、前記本発明の構成において、前記第１光変調素子および前記第２光変調素子のうちの一方が、前記光源から射出される光の波長域のうち、異なる波長域を有する複数の色光をそれぞれ変調する複数の色変調用ライトバルブで構成され、前記第１光変調素子および前記第２光変調素子のうちの他方が、前記光源から射出される光の波長域のうち、全ての波長域の光を変調する輝度変調用ライトバルブで構成され、前記第２光変調素子により変調された光を被投写面に向けて投写する投射光学系を備え、前記色変調用ライトバルブが、前記投写光学系、または、前記投写光学系と前記リレー光学系によって、前記被投写面と光学的に共役関係にある構成としても良い。
【００１４】
第１光変調素子および第２光変調素子のうちのいずれか一方を、異なる波長域を有する複数の色光をそれぞれ変調する複数の色変調用ライトバルブで構成した場合、カラー画像を表示することができる。この場合、色変調用ライトバルブもしくは輝度変調用ライトバルブのいずれか一方がデフォーカス状態で被投写面に投写されるが、上記の構成によれば、色変調用ライトバルブが被投写面と光学的に共役関係にあるので、色変調用ライトバルブにピントを合わせ、輝度変調用ライトバルブはデフォーカス状態で表示を行うことになる。これは、輝度変調用ライトバルブでは輝度情報しか変調できないのに対して、色変調用ライトバルブでは輝度情報と色情報の両方を変調できるので、色変調用ライトバルブにピントを合わせた方がより多くの画像情報をピントがあった状態で表示できる、という利点があるからである。
【００１５】
また、前記本発明の構成において、前記第１光変調素子が、前記光源から射出される光の波長域のうち、異なる波長域を有する複数の色光をそれぞれ変調する複数の色変調用ライトバルブで構成され、前記第２光変調素子が、前記複数の色変調用ライトバルブによって変調された光の波長域のうち、全ての波長域の光を変調する輝度変調用ライトバルブで構成され、前記第２光変調素子による前記第１光変調素子の前記画素の１次回折像と前記第１光変調素子の前記画素の０次回折像との間の距離が、前記第１光変調素子の前記複数の画素の画素ピッチ以下になるように、前記第２光変調素子の画素面と前記第１光変調素子による前記光学像の結像面との間隔が設定されることが望ましい。
【００１６】
第１光変調素子を、異なる波長域を有する複数の色光をそれぞれ変調する複数の色変調用ライトバルブで構成した場合、カラー画像を表示することができる。また、本発明の構成では、第２光変調素子の画素面を第１光変調素子の光学像の結像面から離れた位置に配置することによりモアレを抑制することができるが、離す距離をあまり大きくし過ぎると、その分回折作用が大きくなり、画像の精細感が低下してしまう。そこで、本構成のように、第２光変調素子による第１光変調素子の画素の１次回折像と第１光変調素子の画素の０次回折像との間の距離が第１光変調素子の画素ピッチ以下になるように、第２光変調素子の画素面と光学像の結像面との間隔を設定することによって、回折作用による画像の精細感の低下を抑えることができる。詳しくは後の［発明を実施するための最良の形態］の項で説明する。
【００１７】
より具体的には、前記第２光変調素子の画素面と前記第１光変調素子による前記光学像の結像面との間隔をＤ、前記光学像の結像面における０次画素像間のピッチをｐとしたときに、下記の（１）式および（２）式を満足することが望ましい。
Ｄ≦ｐ／tan［sin-1（λ／ｐ２）］  …（１）
ｐ＝ｍｒ・ｐ１                   …（２）
（ただし、λ：光の波長、ｐ１：第１光変調素子の画素ピッチ、ｐ２：第２光変調素子の画素ピッチ、ｍｒ：リレー光学系の結像倍率）
【００１８】
画像表示装置の上記の各種パラメータ（第２光変調素子の画素面と第１光変調素子による光学像の結像面との間隔、光学像の結像面における０次画素像間のピッチ、第１光変調素子の画素ピッチ、第２光変調素子の画素ピッチ、リレー光学系の結像倍率）を、上記の（１）式および（２）式を満足するように設定すれば、回折作用による画像の精細感の低下を抑えることができる。詳しくは後の［発明を実施するための最良の形態］の項で説明する。
【００１９】
また、前記本発明の構成において、前記第２光変調素子の画素ピッチが前記第１光変調素子の画素ピッチより大きい構成とすることもできる。
この構成によれば、第２光変調素子の画素面と第１光変調素子による光学像の結像面との間隔（上記（１）式のＤ）を大きくすることができ、第２光変調素子の画素面での第１光変調素子の光学像のデフォーカス状態がより大きくなる。その結果、モアレがより発生しにくくなる。また、リレーレンズやアライメント機構の構成を簡素化できるため、装置のコスト低減が図れる。
【００２０】
本発明の他の画像表示装置は、光源と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、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、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記第１光変調素子から射出された光を変調する第２光変調素子と、が備えられ、前記第２光変調素子による前記第１光変調素子の前記画素の１次回折像と前記第１光変調素子の前記画素の０次回折像との間の距離が、前記第１光変調素子の前記複数の画素の画素ピッチ以下になるように、前記第２光変調素子の画素面と前記第１光変調素子の画素面との間隔が設定されていることを特徴とする。
【００２１】
本発明の他の画像表示装置の構成は、上記の画像表示装置の構成において、第２光変調素子の画素面と第１光変調素子による光学像の結像面との間隔（上記（１）式のＤ）を大きくした場合に実現できる。そして、リレー光学系を用いることがないため、装置の低コスト化が図れ、モアレを抑制しつつ回折作用による精細感の低下を抑制し、表示品位に優れた画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図８を参照しつつ説明する。
本実施形態の画像表示装置は、第１光変調素子、第２光変調素子の双方に液晶ライトバルブを採用した２変調方式の投写型画像表示装置の例である。光源に近い側（前段側）の第１光変調素子には、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）の異なる色光をそれぞれ変調する３枚の透過型液晶ライトバルブ（色変調用液晶ライトバルブ）を用いている。光源から遠い側（後段側）の第２光変調素子には、第１光変調素子によって変調された各色光の合成光を変調する１枚の透過型液晶ライトバルブ（輝度変調用液晶ライトバルブ）を用いている。
【００２３】
図１は、本実施形態の投写型画像表示装置（プロジェクタ）の概略構成図（平面図）である。図２は、同画像表示装置の色変調用液晶ライトバルブと輝度変調用液晶ライトバルブの位置関係を示す図である。図３は、スクリーン投写画像の共役関係を説明するための図である。図４は、色変調用ライトバルブの中間像面および輝度変調用液晶ライトバルブ近傍の光線の状態を示す図である。図５は、輝度変調用ライトバルブの回折作用が生じた際のスクリーン画像を示す図である。図６は、色変調用ライトバルブの中間像面上での画素像と回折による虚像との位置関係を示す図である。図７は、色変調用ライトバルブの中間像面と輝度変調用ライトバルブの画素面との間隔Ｄと画素像と虚像との距離ｈとの関係を示す図である。図８は、色変調用液晶ライトバルブの中間像面の詳細な位置を示す図である。
なお、以下の各図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素毎に寸法や位置関係の縮尺を異ならせることもある。
【００２４】
まず最初に、図１を用いて投写型画像表示装置の構成について説明する。
本実施形態の投写型画像表示装置１は、光源２と、均一照明光学系３と、色変調部４と、リレーレンズ５（リレー光学系）と、輝度変調部６と、投写レンズ７（投写光学系）と、を備えている。色変調部４は、青色光用液晶ライトバルブ８Ｂ，緑色光用液晶ライトバルブ８Ｇ，赤色光用液晶ライトバルブ８Ｒの３枚の液晶ライトバルブ（第１光変調素子）と、それぞれのライトバルブの前後に配置された入射側偏光板（図示略）、射出側偏光板（図示略）とを含んでいる（なお、以下の説明ではこれらの液晶ライトバルブを総称して色変調用ライトバルブ８と呼ぶこともある）。また、輝度変調部６は、１枚の液晶ライトバルブ９（第２光変調素子、以下、輝度変調用ライトバルブと呼ぶこともある）と、入射側偏光板（図示略）と、射出側偏光板（図示略）とを含んでいる。
【００２５】
均一照明系３は、光源２から入射した光の輝度分布を均一化するものである。色変調部４は、均一照明系３から入射した光の波長領域のうちのＲ、Ｇ、Ｂ３原色の色光の輝度をそれぞれ変調するものである。リレーレンズ５は、色変調部４により変調された光を輝度変調用ライトバルブ９に伝達するものである。輝度変調用ライトバルブ９は、リレーレンズ５から入射した光の全波長領域の輝度を変調するものである。投写レンズ７は、輝度変調用ライトバルブ９により変調された光をスクリーン１０に投写するものである。
【００２６】
光源２は、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するリフレクタ１２とを備えている。均一照明系３は、各々が複数のマイクロレンズからなる第１フライアイレンズ１３、第２フライアイレンズ１４と、偏光変換素子１５と、集光レンズ１６とから構成されている。均一照明系３では、光源２から射出された光の光束断面における輝度分布が第１フライアイレンズ１３、第２フライアイレンズ１４により均一化される。さらに、第１フライアイレンズ１３、第２フライアイレンズ１４を通過した光は、偏光変換素子１５により色変調部４の液晶ライトバルブ８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの入射偏光方向に偏光変換され、その偏光が集光レンズ１６により集光されて色変調部４に向けて射出される。偏光変換素子１５は、例えば、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）アレイと、１／２波長板とで構成されており、不定偏光状態の光束を特定の直線偏光に変換する。
【００２７】
色変調部４は、光分離手段としての２つのダイクロイックミラー１７，１８と、３つのミラー１９，２０，２１（反射ミラー）と、５つのフィールドレンズ（レンズ２２、リレーレンズ２３、平行化レンズ２４Ｂ，２４Ｇ，２４Ｒ）と、３つの液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと、クロスダイクロイックプリズム２５とから構成されている。液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは、透過率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配置した液晶パネルであり、マトリクス状の複数の画素を区画するように格子状の遮光層（いわゆるブラックマトリクス）が内蔵されている。
【００２８】
ダイクロイックミラー１７，１８は、光源２から射出された光（白色光）を、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の３原色光に分離（分光）するものである。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１７は、ガラス板等にＢ光および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あり、光源２からの白色光に含まれるＢ光およびＧ光を反射し、Ｒ光を透過する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１８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あり、Ｒ光透過ダイクロイックミラー１７で反射したＧ光およびＢ光のうち、Ｇ光を反射して平行化レンズ２４Ｇに伝達し、青色光を透過してレンズ２２に伝達する。
【００２９】
リレーレンズ２３はレンズ２２近傍の光（光強度分布）を平行化レンズ２４Ｂ近傍に伝達するもので、レンズ２２はリレーレンズ２３に光を効率良く入射させる機能を有する。また、レンズ２２に入射したＢ光は、その強度分布がほぼ保存された状態で、かつ、光損失をほとんど伴うことなく空間的に離れた液晶ライトバルブ８Ｂに伝達される。平行化レンズ２４Ｂ，２４Ｇ，２４Ｒは、対応する液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒに入射する各色光を略平行化して、液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを透過した光を効率良くリレーレンズ５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１７，１８で分光されたＲ、Ｇ、Ｂ３原色の光は、上述したミラー（反射ミラー１９，２０，２１）およびフィールドレンズ（レンズ２２、リレーレンズ２３、平行化レンズ２４Ｂ，２４Ｇ，２４Ｒ）を介して液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒに入射する。
【００３０】
液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは、画素電極およびこれを駆動するための薄膜トランジスタ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ＴＦＴアレイ基板と、全面にわたって共通電極が形成された対向基板との間にＴＮ（Twisted Nematic）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。液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは、電圧無印加状態で白／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、印加電圧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８Ｂ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８Ｇ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８Ｒ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。
【００３１】
クロスダイクロイックプリズム２５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２６（Ｂ光反射ダイクロイック膜）およびＲ光を反射する誘電体多層膜２７（Ｒ光反射ダイクロイック膜）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８ＧからのＧ光を透過し、液晶ライトバルブ８ＲからのＲ光と液晶ライトバルブ８ＢからのＢ光とを反射させてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。
【００３２】
リレーレンズ５は、クロスダイクロイックプリズム２５で合成された液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの光学像（光強度分布）を後段の液晶ライトバルブ９の画素面（液晶層面）上に結像するものであり、液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒで形成された光束輝度分布を正確に液晶ライトバルブ９に伝達する。リレーレンズ５は、開口絞りに対して略対称に配置された前段レンズ群、後段レンズ群からなる等倍結像レンズである。また、液晶ライトバルブ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、後段レンズ群は、複数の凸レンズおよび凹レンズを含んで構成されているが、レンズの形状、大きさ、配置間隔および枚数、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る。
【００３３】
液晶ライトバルブ９は、上述した液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと同様の構成を有する透過型液晶ライトバルブであり、液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの光学像の輝度をさらに変調するものである。そして、輝度変調された画像光が投写レンズ７（投写光学系）に入射され、投写レンズ７に入射された光束は、投写レンズ７を介してスクリーン１０（被投写面）上に拡大表示される。
【００３４】
以下、上記構成の投写型画像表示装置における色変調用ライトバルブ８の光学像と輝度変調用ライトバルブ９の位置関係を説明する。
図２は、図１から色変調用ライトバルブ８と輝度変調用ライトバルブ９の間の光路を抜き出したものであり、説明をわかりやすくする目的で、色変調用ライトバルブ８はいずれか１枚の色変調用ライトバルブで代表し、色変調用ライトバルブ８とリレーレンズ５の間のクロスダイクロイックプリズム２５は省略して描いてある。また、偏光板も同様に省略してある。各ライトバルブ８，９は厚みの無い平面で描いてあるが、これは液晶ライトバルブの中の液晶層を示している。
【００３５】
本実施形態においては、リレーレンズ５によって形成される色変調用ライトバルブ８の光学像（光学像面Ｋ）が所定の間隔Ｄだけ輝度変調用ライトバルブ９の画素面（液晶層面）から離れるように、輝度変調用ライトバルブ９が配置されている。特に本実施形態では、輝度変調用ライトバルブ９の画素面が色変調用ライトバルブ８の光学像面Ｋよりも光源２から遠い側（後段側）にずれて配置されている。
【００３６】
次に、上記間隔Ｄの適切な距離について図３〜図６を用いて説明する。
なお、説明において必要な各種パラメータを以下のように定める。リレーレンズ５の倍率をｍｒ＝１（等倍）、投写レンズ７の倍率をｍｐ、色変調用ライトバルブ８の画素ピッチをｐ１、輝度変調用ライトバルブ９の画素ピッチをｐ２とする。
【００３７】
図３は、本実施形態のスクリーン投写画像の共役関係の説明図である。スクリーン投写画像は、投写レンズ７によって色変調用ライトバルブ８の中間像と共役関係にある。また、色変調用ライトバルブ８の中間像は、リレーレンズ５によって色変調用ライトバルブ８と共役関係にある。よって、スクリーン１０は、投写レンズ７とリレーレンズ５とによって色変調用ライトバルブ８と共役関係にある。すなわち、色変調用ライトバルブ８に形成された画像は、リレーレンズ５によって一旦中間像に結像され、さらにこの中間像が投写レンズ７によってスクリーン１０上に結像される。このとき、中間像がスクリーン１０に結像される光路上に配置されている輝度変調用ライトバルブ９が透過光束に対して輝度変調成分を重畳し、スクリーン投写画像のダイナミックレンジが拡大される。
【００３８】
図４は、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋ（結像面）および輝度変調用ライトバルブ９近傍の光線の状態を示す図である。リレーレンズ５の最終レンズ５Ｅを出射した光束（実線で示す）は、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋで結像した後、輝度変調用ライトバルブ９に入射する。輝度変調用ライトバルブ９は、画素電極、薄膜トランジスタ素子、配線等がマトリクス状に形成されるとともに、これらを区画するブラックマトリクスを有しており、これを光学的に見ると格子状の回折格子と見なせる。したがって、輝度変調用ライトバルブ９に入射した光束は輝度変調作用を受けると同時に回折作用も受け、破線で示すところの回折光が発生する。この回折光も投写レンズ７によってスクリーン１０上に結像するが、スクリーン１０上の回折光の結像点に共役な点は、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋ上にある虚像である。
【００３９】
図５は、輝度変調用ライトバルブ９の回折作用が生じた場合のスクリーン投写画像の説明図である。スクリーン１０上には、色変調用ライトバルブ８の画素像Ｇ１（実線で示す）とその回折像Ｇ２（破線で示す）が重なって結像している。なお、図５では説明をわかりやすくする目的で、回折像Ｇ２として、９個の画素像Ｇ１のうちの中央の画素像Ｇ１の回折像Ｇ２のみを示してある。実際には、全ての画素像Ｇ１でこれと同等の回折像Ｇ２が生じている。また、中央の画素像Ｇ１とその回折像Ｇ２は距離Ｈだけ離れている。この距離Ｈについては後述する。なお、Ｐはスクリーン１０上での画素ピッチである。
【００４０】
このような回折像Ｇ２が発生すると、一つの画素像Ｇ１がスクリーン１０上で本来の画素像より大きな領域に広がって表示されることになる。そのとき、画素像Ｇ１とその回折像Ｇ２の距離Ｈが大きくなり過ぎると画像解像度が低下する。画像解像度の低下の度合いについて、本発明者は画素像Ｇ１と回折像Ｇ２との距離Ｈを様々に変化させて、スクリーン投写画像の精細感を評価してみたところ、以下に示す関係を見い出した。
（１）Ｈ≦１／２・Ｐでは、回折像が無い場合に比べて精細感に大差は生じなかった。
（２）１／２・Ｐ＜Ｈ≦Ｐでは、やや精細感が減じるものの精細感の大きな低下は感じなかった。
（３）Ｈ＞Ｐでは、精細感が大きく低下した。
【００４１】
以上の関係を考慮し、本実施形態では、Ｈ≦Ｐを満足し、望ましくはＨ≦１／２・Ｐを満足するように、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋと輝度変調用ライトバルブ９の画素面との間隔Ｄを設定している。これを図６、図７を用いて説明する。
図６は、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋ上における画素像Ｇ３（０次回折像）と回折による虚像Ｇ４（１次回折像）の位置関係の説明図である。この中間像面Ｋにおける画素像Ｇ３のピッチをｐ、画素像Ｇ３と回折による虚像Ｇ４との距離をｈとする。これらｐおよびｈは、投写レンズ７の結像倍率をｍｐとしたときに、図５中のＰおよびＨと以下の比例関係にある。
ｐ＝Ｐ／ｍｐ  ……（３）
ｈ＝Ｈ／ｍｐ  ……（４）
【００４２】
よって、（３）式、（４）式の関係から、先述の精細感の関係（１）、（２）、（３）はＰをｐに、Ｈをｈに置きなおして考えることができる。
さらには、先述したようにリレーレンズ５の倍率ｍｒ＝１であり、ｐ＝ｐ１が成り立つことから、以下のようになる。
（１’）ｈ≦１／２・ｐ１では、回折像が無い場合に比べて精細感に大差は生じなかった。
（２’）１／２・ｐ１＜Ｈ≦ｐ１では、やや精細感が減じるものの精細感の大きな低下は感じなかった。
（３’）ｈ＞ｐ１では、精細感が大きく低下した。
したがって、ｈ≦ｐ１を満足し、望ましくはｈ≦１／２・ｐ１を満足するように、色変調用ライトバルブの中間像面と輝度変調用ライトバルブの画素面との間隔Ｄを設定すればよい。
【００４３】
図７は、間隔Ｄと、画素像と回折像との距離ｈとの関係の説明図である。
本実施形態では、輝度変調用ライトバルブ９の画素面の位置を色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋよりも投写レンズ７寄り（後段側）にずらしてあるため、光軸付近を通る主光線は、色変調用ライトバルブ８の中間像を形成した後、輝度変調用ライトバルブ９に入射し、回折する。
先述のように、輝度変調用ライトバルブ９の画素ピッチをｐ２とすると、
回折角θは
θ＝sin-1(ｎλ／ｐ２)  ……  （５）
と表される（ただし、ｎ：回折光の次数、λ：回折光の波長）。
また、画素像と回折による虚像との距離ｈは
ｈ＝Ｄ・tanθ         ……  （６）
と表される。
式（６）に式（５）を代入すると、
ｈ＝Ｄ・tan［sin-1（ｎλ／ｐ２）］  ……  （７）
が得られる。
【００４４】
さらに具体的には、式（７）に、スクリーン表示画像における最も視感度が高い波長は０．５５［μｍ］（緑色）なので、λ＝０．５５、輝度変調用ライトバルブ９では二次以上の回折強度は小さいので、１次回折光としてｎ＝１、輝度変調用ライトバルブ９の画素ピッチｐ２は色変調用ライトバルブ８の画素ピッチｐ１と等しく、ｐ１＝ｐ２＝１０［μｍ］とし、これらの値を代入すると、
ｈ＝Ｄ・tan（３．１５°）  ……  （８）
が得られる。
よって、（８）式を用いて、ｈ≦１／２・ｐ１とするためにはＤ≦９１［μｍ］、ｈ≦ｐ１とするためにはＤ≦１８１．７［μｍ］と設定すればよい。
【００４５】
すなわち、本実施形態では、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋと輝度変調用ライトバルブ９の画素面との間隔Ｄは約１８０μｍ以下と小さなものであり、実際の光学系では、図８に示すように、色変調用ライトバルブ８の中間像が、輝度変調用ライトバルブ９の入射側基板（対向基板）の内部に形成されることになる。
【００４６】
すなわち、色変調用ライトバルブ８の中間像面と輝度変調用ライトバルブ９の画素面との間隔Ｄの望ましい範囲を一般式で表すと、下の（９）式、（１０）式を満足すればよいことになる。
Ｄ≦ｐ／tan［sin-1（λ／ｐ２）］  …（９）
ｐ＝ｍｒ・ｐ１                   …（１０）
【００４７】
本実施形態においては、輝度変調用ライトバルブ９の画素面（図８の液晶層面）では色変調用ライトバルブ８の中間像がデフォーカス状態にあるため、色変調用ライトバルブ８の格子構造に起因する周期的な明暗が不明瞭な状態にある。そのため、リレーレンズ５に多少のアライメント誤差があったり、リレーレンズ５に多少の歪曲、倍率誤差、倍率色収差等が残存していても、モアレが発生することがない。さらに、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋと輝度変調用ライトバルブ９の画素面との間隔を最適化したことによって、輝度変調用ライトバルブ９での回折による解像度低下が生じることもない。以上により、表示品位の向上を図りつつ、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現できる投写型画像表示装置を提供することができる。また、本実施形態の構成は輝度変調用ライトバルブ９の位置を調整するだけで実現でき、リレーレンズやアライメント機構の構成を簡素化できるため、装置全体の低コスト化が可能になる。
【００４８】
［第２の実施の形態］
上記第１実施形態では、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋと輝度変調用ライトバルブ９の画素面との間隔Ｄは１８０μｍ以下と小さなものであったが、上記第１実施形態でｐ１＝ｐ２＝１０［μｍ］としたことに代えて、輝度変調用ライトバルブ９の画素ピッチｐ２をより大きくすることで、Ｄを長くすることが可能である。
【００４９】
一例として、色変調用ライトバルブ８の画素ピッチｐ１＝１０μｍ（第１実施形態と同じ）に対して、輝度変調用ライトバルブ９の画素ピッチｐ２＝３０μｍと大きくすると、ｈ≦１／２・ｐ１とするためにはＤ≦８１８［μｍ］、ｈ≦ｐ１とするためにはＤ≦１６３６［μｍ］となる。すなわち、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋと輝度変調用ライトバルブ９の画素面との間隔Ｄを大幅に大きくすることが可能である。
【００５０】
このように、色変調用ライトバルブ８の中間像面Ｋと輝度変調用ライトバルブ９の画素面との間隔Ｄを大きくする利点は、輝度変調用ライトバルブ９の画素面における色変調用ライトバルブ８の中間像のデフォーカス状態がより大きくなるため、モアレがより発生しにくくなる点である。これにより、アライメント機構を簡素化したり、リレーレンズの構成を簡素化したりできるため、装置全体の更なる低コスト化が可能になる。
【００５１】
［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を図９を参照しつつ説明する。
本実施形態の画像表示装置は、第１実施形態と同様、第１光変調素子、第２光変調素子の双方に液晶ライトバルブを採用した２変調方式の投写型画像表示装置である。ただし、第１光変調素子の光学像を第２光変調素子に伝達するリレーレンズを備えていない点で第１実施形態と異なっている。
図９は本実施形態の投写型画像表示装置のうち、色変調用ライトバルブおよび輝度変調用ライトバルブの周辺のみを示す構成図である。なお、図９において図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５２】
本実施形態の投写型画像表示装置３０は、図９に示すように、色変調用の各色光用液晶ライトバルブ８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの後段に、リレーレンズを介することなく、輝度変調用の各色光用液晶ライトバルブ９Ｂ，９Ｇ，９Ｒがそれぞれ配置されている。なお、ここでは説明の便宜上、光源に近い側（前段側）を色変調用ライトバルブ、光源から遠い側（後段側）を輝度変調用ライトバルブと称したが、このように２枚のライトバルブで連続的に光を変調する構成では、機能上は特に色変調、輝度変調と区別されることはない。したがって、各色光は、２枚の液晶ライトバルブで順次変調された後、ダイクロイックプリズム２５により合成され、投写レンズ７によりスクリーン上に投写される。
【００５３】
ここで、色変調用ライトバルブ８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの画素像（０次回折像）と輝度変調用ライトバルブ９Ｒ，９Ｇ，９Ｂによる回折像（１次回折像）との間の距離が、色変調用ライトバルブ８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの画素ピッチ以下になるように、色変調用ライトバルブ８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの画素面と輝度変調用ライトバルブ９Ｒ，９Ｇ，９Ｂの画素面との間隔Ｄが設定されている。ここでも、画素面とは各液晶ライトバルブの液晶層面のことを指す。この構成は、第２実施形態で述べたように、色変調用ライトバルブ８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの画素ピッチｐ１に対して輝度変調用ライトバルブ９Ｒ，９Ｇ，９Ｂの画素ピッチを十分に大きくし、間隔Ｄを大きくすることで実現できる。
【００５４】
本実施形態の投写型画像表示装置３０においては、リレー光学系を用いることがないため、装置の低コスト化が図れるとともに、モアレを抑制しつつ回折作用による解像度の低下を抑制し、表示品位に優れた画像表示装置を実現することができる。
【００５５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の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。例えば上記の第１、第２実施形態では、光源側からリレーレンズ、色変調用ライトバルブの中間像面、輝度変調用ライトバルブの順で配置した例で説明したが、リレーレンズ、輝度変調用ライトバルブ、色変調用ライトバルブの中間像面の順に配置されていても良い。すなわち、輝度変調用ライトバルブの画素面を色変調用ライトバルブの中間像面よりも光源に近い側（前段側）にずらした構成としても良い。
【００５６】
また、リレーレンズの倍率ｍｒ＝１の例で説明したが、これに限定されるものではない。さらには、第１光変調素子が複数の色変調用ライトバルブで構成され、第２光変調素子が１枚の輝度変調用ライトバルブで構成される例で説明したが、これに限定されるものではなく、第１光変調素子が１枚の輝度変調用ライトバルブで構成され、第２光変調素子が複数の色変調用ライトバルブで構成されていてもよい。この場合は、画像表示スクリーンと色変調用ライトバルブが共役関係にあることが望ましい。その他、上記実施形態で例示した投写型画像表示装置の各光学系の具体的な構成については適宜変更が可能である。また、本発明は、投写型画像表示装置のみならず、投写光学系を持たない直視型の画像表示装置にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１実施形態の投写型画像表示装置の概略構成図である。
【図２】同画像表示装置の色変調用液晶ライトバルブと輝度変調用液晶ライトバルブの位置関係を示す図である。
【図３】スクリーン投写画像の共役関係を説明するための図である。
【図４】色変調用ライトバルブの中間像面および輝度変調用液晶ライトバルブ近傍の光線の状態を示す図である。
【図５】輝度変調用ライトバルブの回折作用が生じた際のスクリーン画像を示す図である。
【図６】色変調用ライトバルブの中間像面上での画素像と回折による虚像との位置関係を示す図である。
【図７】色変調用ライトバルブの中間像面と輝度変調用ライトバルブの画素面との間隔Ｄと画素像と虚像との距離ｈとの関係を示す図である。
【図８】色変調用液晶ライトバルブの中間像面の詳細な位置を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態の投写型画像表示装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，３０…投写型画像表示装置（画像表示装置）、２…光源、５…リレーレンズ（リレー光学系）、７…投写レンズ、８，８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ…色変調用ライトバルブ（第１光変調素子）、９，９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ…輝度変調用ライトバルブ（第２光変調素子）、Ｋ…色変調用ライトバルブの中間像面（光学像面）。
【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】
2008197385.tif 000009
【図８】
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【図９】
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