(57)【要約】【課題】画像表示素子の液晶層近辺にアパーチャーを設けることなく高解像度化を図ることの出来る画像表示装置を提供する。【解決手段】画像表示素子の部分以外で、画像あるいはアパーチャーパターンを結像させ、その結像面で画像表示素子の画素とアパーチャーとを対応させる構成とする。つまり、画像表示装置が、画素がアレー状に配置された画像表示素子と、前記画像表示素子からの読み出し光を結像する結像光学系と、前記結像光学系による像の結像面に設けられ、該結像面上での前記画素に対して少なくとも１個のアパーチャー（または偏光子）が配置されたアパーチャーアレー（または偏光子アレー）とを備える。【選択図】図１
2008256740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素がアレー状に配置された画像表示素子と、
前記画像表示素子からの読み出し光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系による像の結像面に設けられ、該結像面上での前記画素に対して少なくとも１個のアパーチャーが配置されたアパーチャーアレーと
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
画素がアレー状に配置された画像表示素子と、
前記画像表示素子からの読み出し光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系による像の結像面に設けられ、該結像面上での前記画素に対して少なくとも１個の偏光子が配置された偏光子アレーと
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項１に記載の画像表示装置において、さらに、
前記アパーチャーアレーの面の画像を拡大投影する第２の結像光学系を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項２に記載の画像表示装置において、
少なくとも２個の前記画像表示素子と、
第１の前記画像表示素子からの第１の読み出し光と、前記第１の読み出し光とは偏光方向が異なる第２の前記画像表示素子からの第２の読み出し光とを合成して出力する合成光学系と、
を備え、
前記結像光学系は前記合成光学系から出力される光を結像するものであり、
前記偏光子アレーは、前記第１の読み出し光の偏光方向と前記第２の読み出し光の偏光方向にそれぞれ対応した複数の偏光方向の偏光子が配置されたものである
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
請求項４に記載の画像表示装置において、
赤色画像用表示素子と、
青色画像用表示素子と、
前記偏光子アレーの面の画像を拡大投影する第２の結像光学系と、
をさらに備え、
前記第１の画像表示素子は、第１の緑色画像用表示素子であり、
前記第２の画像表示素子は、第２の緑色画像用表示素子であり、
前記第１の読み出し光は、第１の偏光方向を有する直線偏光であり、
前記第２の読み出し光は、第２の偏光方向を有する直線偏光であり、
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とは略直交するものであり、
前記合成光学系は、前記第１の読み出し光と前記第２の読み出し光と前記赤色画像用表示素子からの第３の読み出し光と前記青色画像用表示素子からの第４の読み出し光とを合成して出力するものであり、
前記第３の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、
前記第４の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、
前記偏光子アレーは、前記第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子と前記第２の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子とが適宜配置されたものである
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項６】
請求項４に記載の画像表示装置において、
赤色画像用表示素子と、
青色画像用表示素子と、
前記合成光学系からの出力を拡大投影する第２の結像光学系と、
をさらに備え、
前記第１の画像表示素子は、第１の緑色画像用表示素子であり、
前記第２の画像表示素子は、第２の緑色画像用表示素子であり、
前記第１の読み出し光は、第１の偏光方向を有する直線偏光であり、
前記第２の読み出し光は、第２の偏光方向を有する直線偏光であり、
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とは略直交するものであり、
前記偏光子アレーは、前記第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子と前記第２の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子とが適宜配置されたものであり、
前記合成光学系は、前記偏光子アレーを通した後の前記第１の読み出し光と前記第２の読み出し光とを合成するとともに、さらに前記赤色画像用表示素子からの第３の読み出し光と前記青色画像用表示素子からの第４の読み出し光とを合成して出力するものである
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
請求項４に記載の画像表示装置において、
赤色画像用表示素子と、
青色画像用表示素子と、
前記偏光子アレーの出力側に近接して設けられた拡散板と、
をさらに備え、
前記第１の画像表示素子は、第１の緑色画像用表示素子であり、
前記第２の画像表示素子は、第２の緑色画像用表示素子であり、
前記第１の読み出し光は、第１の偏光方向を有する直線偏光であり、
前記第２の読み出し光は、第２の偏光方向を有する直線偏光であり、
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とは略直交するものであり、
前記合成光学系は、前記第１の読み出し光と前記第２の読み出し光と前記赤色画像用表示素子からの第３の読み出し光と前記青色画像用表示素子からの第４の読み出し光とを合成して出力するものであり、
前記結像光学系は、拡大投射するものであり、
前記第３の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、
前記第４の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、
前記偏光子アレーは、前記第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子と前記第２の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子とが適宜配置されたものである
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
光源を含む照明光学系と、
前記照明光学系からの光を通すアパーチャーアレーまたは偏光子アレーと、
前記アパーチャーアレーまたは前記偏光子アレーを通した光を結像する結像光学系と、
前記アパーチャーアレーまたは前記偏光子アレーのパターンの前記結像光学系による結像面に設けられ当該結像面における前記パターンに対応して画素が配置された画像表示素子と、
前記画像表示素子からの読み出し光を拡大投射する第２の結像光学系と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の画像表示装置であって、
前記結像光学系による像の結像面に対して前記画像表示素子からの読み出し光の入射方向とは反対側に、複数のマイクロレンズを配置したレンズアレーを設けたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の画像表示装置であって、
前記拡散板に対して前記画像表示素子からの読み出し光の入射方向とは反対側に、複数のマイクロレンズを配置したレンズアレーを設けたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか一項に記載の画像表示装置を含んだディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置およびディスプレイシステムに関する。特に、高解像度化に適した投射型の画像表示装置およびディスプレイシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、臨場感豊かな高精細映像技術が急速に普及し、ハイビジョンを超える高精細映像表示が実現されつつある。現在、高精細画像表示の手法としては、投射型ディスプレイがもっとも有望である。特に微細な画素構造を有し、しかも開口率が大きな反射型のＬＣｏＳを用いた超高精細ディスプレイシステムが、次世代の映像技術として開発されつつある（非特許文献１を参照）。
本方式では、緑色用画像パネルを２枚使用し、半画素ずらし表示することで画像の解像度を向上する技術が用いられている。今後、表示画素の微細化による高精細技術とともに、画素ずらしによる高解像度な映像表示技術は、将来の高精細テレビの実現やそれらを基盤技術とした立体映像表示技術の開拓などに有効な手段となっていく。
【非特許文献１】M. Kanazawa, K. Hamada, I. Kondoh, F. Okano, Y. Haino, M. Sato, K. Doi, “An ultrahigh-definition display using the pixel-offset method”, Journal of the Society for Information Display, vol.12, no.1,2004,p.93-103
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、さらなる高精細化を図るには、画素ずらし表示手法の高精度化などの改善が必要である。画素ずらし方法の課題は次の通りである。即ち、ＬＣｏＳ素子の開口率がほぼ１００％であるため、２枚の緑色画像を半画素ずらした場合にはその２枚の緑色画像の画素同士がオーバーラップして表示されるため、高解像度化の面で不利な特性を有している。
【０００４】
これを解決するためには、簡易な手段として、画像表示素子の液晶層近辺にアパーチャーを設置することが考えられるが、素子の製作工程にアパーチャーを作り込むことは多大なコストがかかるとともに、アパーチャーによる回折光や反射光の発生による迷光の発生や、熱吸収による液晶変調特性の温度依存性の影響など、表示画像の画質低下の要因を多数引き起こすことが予想される。
さらに、液晶層を挟む対向ガラス基板にアパーチャーを作り込むことで、表面に凹凸が生じ、液晶配向膜特性にも影響を与える。以上の理由により、画素表示面にアパーチャーを作り込むことは現実的ではない。
【０００５】
本発明は、上記の課題認識に基づいて行なわれたものであり、画像表示素子の液晶層近辺にアパーチャーを設けることなく高解像度化を図ることの出来る画像表示装置を提供することを目的とする。さらに、そのような画像表示装置の応用として、立体画像を表示できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで本発明では、上記課題を解決するために、技術的特徴として、画像表示素子の部分以外で、画像あるいはアパーチャーパターンを結像させ、その結像面で画像表示素子の画素とアパーチャーとを対応させる構成とする。
つまり、画像表示素子に直接アパーチャーを設置するのではなく、表示素子の画像を一度、リレーレンズで結像させ、その結像面にアパーチャーストップを設置する構成とする。もしくは照明光学系内に、アパーチャーストップを設置することで、投射画像の画質低下を招くことなく、画素ずらしによる高解像度な画像表示性能を上げるものである。また、アパーチャーアレーの代わりに偏光子アレーを用いることでより光の利用効率をあげることもできる。さらに、レンズアレーを組み合わせて構成することにより、インテグラル式の立体像表示も可能とする。
なお、下記解決手段の各態様の記載に付した符号は、実施形態を参照するためのものであるが、解決手段の解釈を限定するものではない。
【０００７】
［１］上記の課題を解決するため、本発明の一態様による画像表示装置は、画素がアレー状に配置された画像表示素子（１２）と、前記画像表示素子からの読み出し光を結像する結像光学系（１４）と、前記結像光学系による像の結像面に設けられ、該結像面上での前記画素に対して少なくとも１個のアパーチャーが配置されたアパーチャーアレー（１５）とを備えることを特徴とするものである。
ここで、画像表示素子は、反射型であっても透過型であっても良い。また、アパーチャーは画素に対応して配置される。この構成によれば、アパーチャーアレーは、画像表示素子から離れた場所に設けられる。そして、画像表示素子からの読み出し光の結像面において、画素に対応したアパーチャーが設けられているため、高解像度化が図れる。
【０００８】
［２］また、本発明の一態様による画像表示装置は、画素がアレー状に配置された画像表示素子（２０，２１）と、前記画像表示素子からの読み出し光を結像する結像光学系（２３）と、前記結像光学系による像の結像面に設けられ、該結像面上での前記画素に対して少なくとも１個の偏光子が配置された偏光子アレー（２４）とを備えることを特徴とするものである。
ここで、画像表示素子は、反射型であっても透過型であっても良い。また、偏光子は画素に対応して配置される。この構成によれば、偏光子は、画像表示素子から離れた場所に設けられる。そして、画像表示素子からの読み出し光の結像面において、画素に対応した偏光子が設けられているため、高解像度化が図れる。
【０００９】
［３］また、本発明の一態様による画像表示装置は、前記の画像表示装置において、さらに、前記アパーチャーアレーの面の画像を拡大投影する第２の結像光学系（１６，２５）を備えることを特徴とする。
これによれば、第２の結像光学系が、アパーチャーアレーの面の画像を拡大投影する。
【００１０】
［４］また、本発明の一態様による画像表示装置は、前記の画像表示装置において、少なくとも２個の前記画像表示素子（２０，２１）と、第１の前記画像表示素子からの第１の読み出し光と、前記第１の読み出し光とは偏光方向が異なる第２の前記画像表示素子からの第２の読み出し光とを合成して出力する合成光学系（２２）とを備え、前記結像光学系（２３）は前記合成光学系から出力される光を結像するものであり、前記偏光子アレー（２４）は、前記第１の読み出し光の偏光方向と前記第２の読み出し光の偏光方向にそれぞれ対応した複数の偏光方向の偏光子が配置されたものであることを特徴とする。
なお、一態様としては、偏光子アレーにおいて、偏光方向の異なる偏光子を交互に配置する。その一形態は、２種の偏光子を平面視において市松模様状に配置する。このときの偏光子の配置は画像に対して斜め方向（例えば斜め４５度）でも良い。
これによれば、第１および第２の読み出し光がそれぞれ、別の画像表示素子からが贈与読み出す。合成光学系は、これらの読み出し光を合成して出力する。偏光子アレーには、第１および第２の読み出し光それぞれの偏光方向に対応した偏光子が配置されており、その対応に応じて、ある偏光子は第１の読み出し光のみを通し、他の偏光子は第２の読み出し光のみを通す。これにより、高精細化が図れる。
【００１１】
［５］また、本発明の一態様による画像表示装置は、前記の画像表示装置において、赤色画像用表示素子（４２）と、青色画像用表示素子（４３）と、前記偏光子アレーの面の画像を拡大投影する第２の結像光学系とをさらに備え、前記第１の画像表示素子は、第１の緑色画像用表示素子（４０）であり、前記第２の画像表示素子は、第２の緑色画像用表示素子（４１）であり、前記第１の読み出し光は、第１の偏光方向を有する直線偏光であり、前記第２の読み出し光は、第２の偏光方向を有する直線偏光であり、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とは略直交するものであり、前記合成光学系（４７）は、前記第１の読み出し光と前記第２の読み出し光と前記赤色画像用表示素子からの第３の読み出し光と前記青色画像用表示素子からの第４の読み出し光とを合成して出力するものであり、前記第３の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、前記第４の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、前記偏光子アレー（４９）は、前記第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子と前記第２の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子とが適宜配置されたものであることを特徴とする。
これによれば、第１の緑色画像表示装置からの第１の読み出し光と第２の緑色画像表示装置からの第２の読み出し光の偏光方向は直交している。合成光学系は、第１から第４までの読み出し光を合成して出力する。第３および第４の読み出し光は円偏光または無偏光である。偏光子アレーに配置された偏光子のうち、第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子は、第１の偏光方向の直線偏光の光と、円偏光（または無偏光）の光のうちの第１の偏光方向の成分を通す。つまり、第１、第３、第４の読み出し光のみを通して第２の読み出し光を遮光する。一方、第２の偏光方向の光のみを透過する偏光子は、第２の偏光方向の直線偏光の光と、円偏光（または無偏光）の光のうちの第２の偏光方向の成分を通す。つまり、第２、第３、第４の読み出し光のみを通して第１の読み出し光を遮光する。これにより、緑色画像の高精細化が図れる。
【００１２】
［６］また、本発明の一態様による画像表示装置は、前記の画像表示装置において、赤色画像用表示素子（５２）と、青色画像用表示素子（５３）と、前記合成光学系（５９）からの出力を拡大投影する第２の結像光学系（１５０）とをさらに備え、前記第１の画像表示素子は、第１の緑色画像用表示素子（５０）であり、前記第２の画像表示素子は、第２の緑色画像用表示素子（５１）であり、前記第１の読み出し光は、第１の偏光方向を有する直線偏光であり、前記第２の読み出し光は、第２の偏光方向を有する直線偏光であり、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とは略直交するものであり、前記偏光子アレー（５８）は、前記第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子と前記第２の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子とが適宜配置されたものであり、前記合成光学系（５９）は、前記偏光子アレーを通した後の前記第１の読み出し光と前記第２の読み出し光とを合成するとともに、さらに前記赤色画像用表示素子からの第３の読み出し光と前記青色画像用表示素子からの第４の読み出し光とを合成して出力するものであることを特徴とする。
これによれば、第１の緑色画像表示装置からの第１の読み出し光と第２の緑色画像表示装置からの第２の読み出し光の偏光方向は直交している。偏光子アレーに配置された偏光子のうち、第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子は、第１の読み出し光のみを通して第２の読み出し光を遮光する。一方、第２の偏光方向の光のみを透過する偏光子は、第２の読み出し光のみを通して第１の読み出し光を遮光する。合成光学系は、この偏光子アレーの後に設けられており、第１から第４までの読み出し光を合成する。このとき、第３の読み出し光あるいは第４の読み出し光の偏光がそれぞれいかなる方向であれ、これらは偏光子アレーを通らずに合成光学系で合成されて出力されるため、偏光子の影響を受けない。そして、合成光学系からの出力を第２の結像光学系が拡大投射する。
【００１３】
［７］また、本発明の一態様による画像表示装置は、前記の画像表示装置において、赤色画像用表示素子（６２）と、青色画像用表示素子（６３）と、前記偏光子アレー（６９）の出力側に近接して設けられた拡散板とをさらに備え、前記第１の画像表示素子は、第１の緑色画像用表示素子（６０）であり、前記第２の画像表示素子は、第２の緑色画像用表示素子（６１）であり、前記第１の読み出し光は、第１の偏光方向を有する直線偏光であり、前記第２の読み出し光は、第２の偏光方向を有する直線偏光であり、前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とは略直交するものであり、前記合成光学系（６７）は、前記第１の読み出し光と前記第２の読み出し光と前記赤色画像用表示素子からの第３の読み出し光と前記青色画像用表示素子からの第４の読み出し光とを合成して出力するものであり、前記結像光学系（６８）は、拡大投射するものであり、前記第３の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、前記第４の読み出し光は、前記偏光子アレーに入力されるときには円偏光または無偏光であり、前記偏光子アレー（６９）は、前記第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子と前記第２の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子とが適宜配置されたものであることを特徴とする。
これによれば、偏光子アレーの中の第１の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子は、上述したもの同様に、第１、第３、第４の読み出し光のみを通して第２の読み出し光を遮光する。また、偏光子アレーの中の第２の偏光方向の成分の光のみを透過する偏光子は、上述したものと同様に、第２、第３、第４の読み出し光のみを通して第１の読み出し光を遮光する。
また、これによれば、結像光学系は拡大投射するため、投影される画像の物理的なサイズは大きくなる。よって、拡大するための光学系を別に設ける必要がなくなる。また、拡散板は偏光子アレーを通った光を適度に拡散する。
【００１４】
［８］また、本発明の一態様による画像表示装置は、光源を含む照明光学系（７０，８０〜８３）と、前記照明光学系からの光を通すアパーチャーアレー（７５，８４）または偏光子アレー（８４）と、前記アパーチャーアレーまたは前記偏光子アレーを通した光を結像する結像光学系（７４，８５）と、前記アパーチャーアレーまたは前記偏光子アレーのパターンの前記結像光学系による結像面に設けられ当該結像面における前記パターンに対応して画素が配置された画像表示素子（７２，８６）と、前記画像表示素子からの読み出し光を拡大投射する第２の結像光学系（７６）を備えることを特徴とするものである。
ここで、画像表示素子は、反射型であっても透過型であっても良い。また、アパーチャーは画素に対応して配置される。これによれば、アパーチャーアレーまたは偏光子アレーを通した光が結像光学系によって結像される。その結像面に画像表示素子を設けて、アパーチャーアレー又は偏光子アレーの結像されたパターンと画像表示素子の画素パターンとが対応するようになる。この構成で、本発明の特別な技術的特徴である画像表示素子の部分以外で、画像あるいはアパーチャーパターンを結像させ、その結像面で画像表示素子の画素とアパーチャーとを対応させることが実現されている。
【００１５】
［９］また、本発明の一態様による画像表示装置は、前記の画像表示装置であって、前記結像光学系（９２）による像の結像面に対して前記画像表示素子（９１）からの読み出し光の入射方向とは反対側に、複数のマイクロレンズを配置したレンズアレー（９４）を設けたことを特徴とする。
これによれば、画像表示素子にインテグラル立体像の基となる多数の要素画像を表示させたときに、レンズアレーの作用により、立体像が得られる。なお、多数の要素画像を撮影する際には、撮像素子の前に多数の凸レンズからなるレンズアレーを置く。これにより、撮像素子によって凸レンズの数に応じた多数の小さな倒立の要素画像が撮影される。
【００１６】
［１０］また、本発明の一態様による画像表示装置は、前記の画像表示装置であって、前記拡散板（９７）に対して前記画像表示素子（９１）からの読み出し光の入射方向とは反対側に、複数のマイクロレンズを配置したレンズアレー（９４）を設けたことを特徴とする。
これによれば、結像光学系が拡大投射したことにより偏光子アレーには、物理的に大きいサイズの多数の要素画像が入力される。そして、レンズアレーの作用により、大きいサイズの立体像が得られる。
【００１７】
［１１］また、本発明の一態様は、前記のいずれかに記載の画像表示装置を含んだディスプレイシステムである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、アパーチャーアレーまたは偏光子アレーを画像表示素子の近傍に設けなくて済むため、開口率の大きな画像表示素子を使用しても、高精細な画素ずらし投射画像表示が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
[第１の実施の形態]
図１は、本発明の実施形態による投射型画像表示装置の構成の概要を示す機能構成図である。この投射型画像表示装置は、照明光学系１０と画像表示素子１２とリレーレンズ１４（結像光学系）とアパーチャーアレー１５と投射レンズ１６（第２の結像光学系）とを含んで構成される。
【００２０】
照明光学系１０より画像表示素子１２へ照明光１１が入射される。画像表示素子１２としては、透過型あるいは反射型の液晶デバイス、デジタルマイクロミラーデバイス、グレーティングライトバブルなどを使用することができるが、本実施形態では、現在の技術で高精細性を実現可能な反射型画像表示素子を用いている。そして、画像表示素子１２からの読出し光１３は、リレーレンズ１４により一度、結像される。この結像面に、画素構造に対応した微小なアパーチャーストップをアレー状に配置したアパーチャーアレー１５を設置している。そしてアパーチャーアレー１５の透過光は、投射レンズ１６により拡大結像され、スクリーンなどへ投射表示される。
【００２１】
本方式は、いわゆるデュアルフオーカス投射レンズ（特開２００５−１５７１５３号公報も参照）と同様に、一度、投射光学系の途中で結像させている。そのような構成のため、合成プリズムなど投射レンズのフランジバックが長くなりがちな反射型ブロジェクタにおいても投射レンズヘの要求仕様が低いといった大きなメリットがある。
【００２２】
図２は、本実施形態による画像表示素子１２の画素構造と、アパーチャーアレー１５と、投射画像との関係を示す概略図である。画像表示素子１２の画素構造を図２（ａ）とした場合、図２（ｂ）のようなアパーチャーアレーを配置すると、図２（ｃ）に示すような１画素のサイズが小さな投射画像が得られる。このアパーチャーヘの入力光を増加するためには、各アパーチャーにレンズを配置して、開口部分に光を集光するようにしてもよい。これにより、光の利用効率を向上させることもできる。
【００２３】
図３は、上述した構成を基に、実際の２枚の画像表示素子の画像を画素ずらしとして合成する場合の投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。この投射型画像表示装置は、照明光学系１０と、偏光ビームスプリッタ２２（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ；  ＰＢＳ、合成光学系）と、画像表示素子２０および２１と、リレーレンズ２３（結像光学系）と、偏光子アレー２４と、投射レンズ２５（第２の結像光学系）とを含んで構成される。なお、画像表示素子２０および２１は、図１の画像表示素子１２に対応する。リレーレンズ２３は、図１のリレーレンズ１４に対応する。偏光子アレー２４は、アパーチャーアレー１５に対応する。投射レンズ２５は、投射レンズ１６に対応する。
【００２４】
図３において、照明光学系１０からの照明光はＰ偏光とＳ偏光とを含み、ＰＢＳ・２２は、Ｐ偏光を透過してＳ偏光を反射するミラーを内部に有している。このＰＢＳ・２２の作用によってＰ偏光とＳ偏光が分離され、それぞれ、画像表示素子２１と画像表示素子２０から画像が読み出される。読み出された光は、ＰＢＳ・２２で合成され、リレーレンズ２３側へ入射する。そして、この光は、リレーレンズ２３により結像される。リレーレンズ２３としては、例えば、アクロマティックレンズが使用でき、比較的容易かつ低コストで、無収差で高解像度なレンズが作製できる。
リレーレンズ２３による結像された像は、偏光子アレー２４上に結像され、偏光子アレー面を、さらに拡大投射レンズ２５でスクリーンなどへ拡大投影する。
【００２５】
図４は、図３に示した偏光子アレー２４におけるアパーチャー配置の一例を示す平面図である。偏光子アレー２４の結像面において、アパーチャー３０と３１とが図示するようなパターンで配置されている。そして、この偏光子アレー２４の、アパーチャー３０の部分（図では横縞で表示）はＰ偏光の光を透過しＳ偏光の光を遮断する特性を持つ領域であり、アパーチャー３１の部分（図では縦縞で表示）はＳ偏光の光を透過しＰ偏光の光を遮断する特性を持つ領域である。そして、その他の領域（図では縞なしで表示）は、光を遮光する部分である。つまり、この偏光子アレー２４では、アパーチャー部（３０と３１）と遮光部とが市松模様（チェッカー模様）状に配置され、且つ、アパーチャー３０と３１とは行方向に交互に配置されている。
なお、アパーチャーの領域および遮光部の領域の形状は、図４に示すパターンでは略正方形であるが、この形状が特に特に正方形である必要はなく、円形、ひし形、長方系、六角形等であってもかまわない。但し、面内を隙間なく配置できる形状であるほうが全体として明るい画像が得られる。
【００２６】
図５は、偏光子アレー２４における領域の配置の他の例を示す平面図である。図５に示すパターンでは、Ｐ偏光の光を透過しＳ偏光の光を遮断する特性を持った領域３２（図では横縞で表示）と、Ｓ偏光の光を透過しＰ偏光の光を遮断する特性を持った領域３３（図では縦縞で表示）が、それぞれ略正方形であり、斜め４５度の方向を有して市松模様状に交互に配置されている。図５に示すパターンは、遮光部の領域がない分、図４に示したパターンよりも光のロスが少なく光利用効率を高めることができる。
【００２７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。この投射型画像表示装置は、照明光学系１０（図示を省略）と、第１の緑色画像用表示素子４０と、第２の緑色画像用表示素子４１と、赤色画像用表示素子４２と、青色画像用表示素子４３と、ＰＢＳ・４４および４５および４６と、ダイクロイックプリズム（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ  Ｐｒｉｓｍ）４７と、リレーレンズ４８と、偏光子アレー４９と、投射レンズ（図示を省略）を含んで構成される。なお、各色（Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色））の読み出し光は、照明光学系１０からの光を基に、適宜カラーフィルター等により色を付けたものである。
【００２８】
図６において、照明光学系１０（図示省略）からのＧ（緑）読み出し光はＳ偏光とＰ偏光とを含んでおり、図３で説明した前実施形態におけるＰＢＳ・２２と同様に、ＰＢＳ・４４でＳ偏光とＰ偏光に分離される。そして、第１の緑色画像用表示素子４０（Ｇ１）および第２の緑色画像用表示素子４１（Ｇ２）から画像を読み出す。再びＰＢＳ・４４を経由したこれらＧ１およびＧ２は、ダイクロイックプリズム４７に入射する。また同様に、照明光学系１０（図示省略）からのＲ（赤）読み出し光は、ＰＢＳ・４５を経由して赤色画像用表示素子４２から画像を読み出し、さらにＰＢＳ・４５およびλ／４波長板を経由してダイクロイックプリズム４７に入射する。また同様に、照明光学系１０（図示省略）からのＢ（青）読み出し光は、ＰＢＳ・４６を経由して青色画像用表示素子４３から画像を読み出し、さらにＰＢＳ・４６およびλ／４波長板を経由してダイクロイックプリズム４７に入射する。ＲおよびＢの光は、それぞれ、λ／４波長板の作用により円偏光となる。なお、ＲおよびＢの光を円偏光とする代わりに無偏光となるようにしても良い。
【００２９】
そして、これらの光（Ｇ１，Ｇ２，Ｒ，Ｂ）は、ダイクロイックプリズム４７（合成光学系）で合成される。このとき、ＧについてはＳ偏光（Ｇ２）とＰ偏光（Ｇ１）が混在した構成となっているため、ダイクロイックプリズム４７においては偏光無依存特性のクロスプリズムが利用できる。そして、読み出された光は、リレーレンズ４８を通して結像される。このときの偏光状態は、Ｇ１がＰ偏光、Ｇ２がＳ偏光、Ｒが円偏光、Ｂが円偏光となっている。
これらの光は、リレーレンズ４８を通して、偏光子アレー４９に結像入力される。偏光子アレー４９を通った光は、投射レンズにより、投射結像される。
【００３０】
図７は、偏光子アレー４９の領域配置パターンが前述の図５に示すパターンである場合に得られる画素配置を示す平面図である。図７（ａ）は、Ｐ偏光のＧ１によって構成される画素を示す。つまり、Ｇ１は、図５の領域３２の部分だけを透過し、領域３３の部分で遮光される。また、図７（ｂ）は、Ｓ偏光のＧ２によって構成される画素を示す。つまり、Ｇ２は、図５の領域３３の部分だけを透過し、領域３２の部分で遮光される。このように、Ｇ１とＧ２の画素間の干渉はない。また、図７（ｃ）は、円偏光のＲによって構成される画素を示す。また、図７（ｄ）は、円偏光のＢによって構成される画素を示す。これらのように、ＲおよびＢは共に開口率１００％の画像が表示される。さらに、Ｇ１がＰ偏光、Ｇ２がＳ偏光、ＲおよびＢは円偏光の場合、偏光子アレーでカットされる光量としてはＲ・Ｇ・Ｂそれぞれ約５０％と等しく、全体的な画像の輝度バランスが整えられるというメリットもある。最終的に偏光子アレー４９上の像は、投射レンズにより拡大投影される。
【００３１】
リレーレンズによる結像倍率が例えば１倍の時、偏光子アレーの各領域の細かさは画像表示素子の１画素以下の大きさであり、高精細映像の場合１０μｍ（マイクロメートル）以下の場合もある。偏光子アレーの製作については、フォトニック結晶技術による自己クローニング成膜技術により偏光子アレーを多層膜で作成できるので、数マイクロメートルピッチで偏光子アレーが製作可能である（特開２００１−２４９２３５、および S. Kawakami, T. Kawashima, and T, Sato, “Mechanism of shape formation of three dimensional nano structures by bias sputtering”, Appl. Phys. Lett., vol. 74, no. 3, pp・463-465, January 1999も参照）。
【００３２】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。この投射型画像表示装置は、照明光学系１０（図示を省略）と、第１の緑色画像用表示素子５０と、第２の緑色画像用表示素子５１と、ＰＢＳ・５４と、リレーレンズ５６と、偏光子アレー５８と、赤色画像用表示素子５２と、青色画像用表示素子５３と、ＰＢＳ・５５と、リレーレンズ５７と、ダイクロイックプリズム５９（合成光学系）と、投射レンズ１５０（第２の結像光学系）とを有して構成される。
【００３３】
図８において、照明光学系１０（図示省略）からのＧ読み出し光は、ＰＢＳ・５４でＰ偏光とＳ偏光に分離される（Ｇ１およびＧ２）。そして、それぞれ、第１の緑色画像用表示素子５０および第２の緑色画像用表示素子５１から画像を読み出す。これらは、再びＰＢＳ・５４で合成され、リレーレンズ５６を通して、偏光子アレー５８の面で結像される。そして、偏光子アレー５８を通してダイクロイックプリズム５９に入射する。また一方、照明光学系１０（図示省略）からのＲ読み出し光およびＢ読み出し光は、本実施形態では、それぞれＰ偏光およびＳ偏光となっており、ＰＢＳ・５５で分離され、それぞれ、赤色画像用表示素子５２および青色画像用表示素子５３から画像を読み出し、ＰＢＳ・５５で合成されて、リレーレンズ５７を通してダイクロイックプリズム５９に入射する。図からも明らかなように、赤色画像用表示素子および青色画像用表示素子からの読み取り光はいずれも偏光子アレー５８を通らない。よって、これらの光（Ｒ，Ｂ）の偏光方向がいかなるものであっても偏光子アレーの影響を受けない。そして、これらの光（Ｇ１，Ｇ２，Ｒ，Ｂ）はダイクロイックプリズム５９で合成され、さらに投射レンズ１５０で投射される。
【００３４】
本実施形態の構成が前述した第２の実施形態と異なる特徴的な点は、リレーレンズ５６とダイクロイックプリズム５９との間に偏光子アレー５８を設けることにより、緑色画像用表示素子５０および５１から読み出した画像のみを、偏光子アレー５８に結像させるようにした点である。これにより、赤色画像および青色画像は偏光子アレーを通らないため、赤色画像および青色画像の輝度低下や画質低下を防ぐことが出来る。またこれにより、偏光子アレー５８の波長領域が狭くて済むため、その設計・製作が容易になる。
【００３５】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図９は、本実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。この投射型画像表示装置は、照明光学系１０（図示を省略）と、第１の緑色画像用表示素子６０と、第２の緑色画像用表示素子６１と、赤色画像用表示素子６２と、青色画像用表示素子６３と、ＰＢＳ・６４〜６６と、ダイクロイックプリズム６７（合成光学系）と、投射レンズ６８（結像光学系）とを含んで構成される。また、投射レンズ６８による投射位置に、偏光子アレー６９が設けられる。
【００３６】
前述の第１〜第３の実施形態では、リレーレンズによりほぼ等倍に結像した面に偏光子アレー（アパーチャー）を置いた構成であったが、本実施形態は、最終的に投射表示するスクリーンサイズが５０インチ（１インチは約２．５４センチメートル）前後の、投射型ディスプレイとしては比較的に小さなサイズの場合を想定し、図示するように、ダイクロイックプリズム６７を透過した光を、投射レンズ６８で拡大投影し、投射位置に偏光子ア
レー６９を配置している。これでも、前述の各実施形態と同等の効果が得られる。
本実施形態では、偏光子アレー６９の後に拡散面（拡散板）を設置している。この拡散面は、例えばアクリル板やプラスチック板やガラス板などを材料とし、光を拡散するように、例えば擦りガラス状に、表面を加工したものである。
なお、本実施形態における第１の緑色画像用表示素子６０、第２の緑色画像用表示素子６１、赤色画像用表示素子６２、青色画像用表示素子６３、ＰＢＳ・６４〜６６、ダイクロイックプリズム６７、赤色画像用および青色画像用のλ／４波長板の作用は、図６にて説明したものと同様であるので、ここでは省略する。なお、ＲおよびＢの光を円偏光とする代わりに無偏光となるようにしても良い。
【００３７】
［第５の実施形態］
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。
図１０は、第５の実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。この投射型画像表示装置は、照明光学系７０と、第１の緑色画像用表示素子６０と、アパーチャーアレー７５と、リレーレンズ７４（結像光学系）と、画像表示素子７２と、投射レンズ７６（第２の結像光学系）とを含んで構成される。この構成の特徴は、照明光学系７０とリレーレンズ７４との間にアパーチャーアレー７５が設けられていることである。つまり、照明光学系にアパーチャーアレーが設けられている。
図１０において、照明光学系７０からの照明光７１は、アパーチャーアレー７５に入射され、リレーレンズ７４により一度、結像される。そして、この結像面に画像表示素子７２を設置している。画像表示素子７２からの読出し光７３は、投射レンズ７６により拡大結像され、表示される。
【００３８】
図１１は、本実施形態による投射型画像表示装置のより具体的な光学系の配置を示す概略断面図である。図１１における光源８０と照明レンズ８１とコンデンサレンズ８３が、図１０の照明光学系７０に対応する。また、図１１におけるアパーチャーアレー（もしくは、偏光子アレー）８４が図１０のアパーチャーアレー７５に対応する。また、図１１におけるリレーレンズ８５（結像光学系）が図１０のリレーレンズ７４に対応し、図１１における画像表示素子８６が図１０の画像表示素子７２に対応する。なお、図１０の投射レンズ７６は、図１１では表示を省略している。
【００３９】
図１１において、光源８０からの照明光は、照明レンズ８１を通り光源像８２を作る。照明光は、その後コンデンサレンズ８３を通り、アパーチャーアレー（もしくは、偏光子アレー）８４に入射され、リレーレンズ８５により一度、結像される。この結像面に画像表示素子８６を設置している。これにより、アパーチャー面（もしくは、偏光子アレー面）の画像が、画像表示素子８６の面に結像投影されることになるため、アパーチャーの形状の照明光を画像表示素子に入射できる。これを一般的な光学系で読み出し、拡大投影することで、前述の各実施形態において結像後にアパーチャーを入れたのと同様の効果が得られる。本実施形態の方式による構成では、従来の装置の照明光学系のみを変更するだけでよく、画像表示素子以降の読み出し光学系、合成光学系、拡大光学系などは既存のシステムがそのまま使用できるというメリットがある。
【００４０】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
本実施形態は、レンズアレー板を加えることにより、立体表示が可能な投射型表示装置を実現したものである。ここで、立体表示方式としては、インテグラル立体表示方式の原理を用いる。インテグラル立体像は、撮像時に、撮像素子の前に多数の凸レンズからなるレンズアレーを置く。これにより、撮像素子によって凸レンズの数に応じた多数の小さな倒立の要素画像が撮影される。再生時には、この要素画像が提示された表示素子を撮像素子の位置に置き、前面に置かれたレンズアレーを通して観察すれば、表示素子から発せられた光は撮影時と同じ経路を通るため元の位置に立体像が再現できる（特開平１１−０９８５３２号公報、および Jun Arai, Hiroshi Kawai, Fumio Okano，“Microlenses arrays for integral imaging system”, APPLIED OPTICS, Vol.45, No.36, 20 December 2006も参照）。
【００４１】
図１２は、本実施形態によりインテグラル立体像を表示する投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。この投射型画像表示装置は、照明光学系９０と、画像表示素子９１と、リレーレンズ９２（結像光学系）と、アパーチャーアレー（もしくは、偏光素子アレー）９３と、レンズアレー９４とを含んで構成される。
図１２において、照明光学系９０からの照明光は画像表示素子９１に入射され、上述したインテグラル立体像を再生する要素画像を読み出し、リレーレンズ９２により一度結像される。その結像面にアパーチャーアレー（もしくは、偏光子アレー）９３を設置し、その背面に微小な凸レンズをアレー状に配置したレンズアレー９４を設置することで、画像表示素子９１から読み出された画像が、インテグラル立体像９５として表示される。
【００４２】
図１３は、さらなる変形例の構成を示す概略図である。図１３に示す構成は、図１２におけるリレーレンズ９２の代わりに拡大投射光学系９６を設けるとともに、その結像面に設けられたアパーチャーアレー（もしくは、偏光子アレー）９３と拡散性スクリーン９７（拡散板）を配置し、さらにその拡散性スクリーン９７の背面にレンズアレー９４を配置している。この構成により、画像表示素子９１から読み出された画像が拡大投射光学系９６によって拡大投射され、レンズアレー９４の作用により大型画面のインテグラル立体像９５が表示される。
【００４３】
次に、上記各実施形態による画像表示装置を用いたディスプレイシステムの一例について説明する。この例によるディスプレイシステムは、前記の実施形態のいずれかの画像表示装置あるいはその変形装置を含んで構成される。このディスプレイシステムは、照明光学系に含まれる光源を有している。また、光学系の各部（レンズなど）は可動となっており、それらを駆動する駆動系（モーターなど）を含んでいる。１つまたは複数の画像表示素子へは、画像信号が入力される。画像信号を入力する端子には、テレビ装置や画像再生装置（ＤＶＤプレーヤやＨＤＤプレーヤなど）やコンピュータや携帯型端末などからの画像信号を伝達するケーブルが接続可能となっている。或いは、これら各種外部機器から無線によって画像信号を入力できるようになっている。また、光量を制御したり、焦点を制御したり、各種補正（台形補正など）を制御したりする制御系を含んでいる。また、上記各部に必要な電力を供給する電源部を備えている。
【００４４】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
以上述べた各実施形態は、超高精細ディスプレイシステムや立体表示ディスプレイシステムの分野に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す機能構成図である。
【図２】同実施形態による画像表示素子の画素構造とアパーチャーアレーと投射画像との関係を示す概略図である。
【図３】同実施形態により２枚の画像表示素子の画像を合成する場合の投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図４】同実施形態による偏光子アレーにおけるアパーチャー配置の一例を示す平面図である。
【図５】同実施形態による偏光子アレーにおける領域の配置例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図７】同実施形態による偏光子アレーの領域配置パターンによって得られる画素配置を示す平面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図９】本発明の第４の実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図１１】同実施形態による投射型画像表示装置の具体的な光学系の配置を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態によるインテグラル立体像表示用の投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図１３】同実施形態の変形例による投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４６】
１２  画像表示素子
１４  リレーレンズ（結像光学系）
１５  アパーチャーアレー
２０，２１  画像表示素子
２３  リレーレンズ（結像光学系）
２４  偏光子アレー
１６，２５  投射レンズ（第２の結像光学系）
２２  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ，合成光学系）
４２  赤色画像用表示素子
４３  青色画像用表示素子
４０  緑色画像用表示素子Ｇ１（第１の緑色画像用表示素子）
４１  緑色画像用表示素子Ｇ２（第２の緑色画像用表示素子）
４７  ダイクロイックプリズム（合成光学系）
４９  偏光子アレー
５２  赤色画像用表示素子
５３  青色画像用表示素子
５９  合成光学系
１５０  第２の結像光学系
５０  緑色画像用表示素子Ｇ１（第１の緑色画像用表示素子）
５１  緑色画像用表示素子Ｇ２（第２の緑色画像用表示素子）
５８  偏光子アレー
６２  赤色画像用表示素子
６３  青色画像用表示素子
６９  偏光子アレー
６０  緑色画像用表示素子Ｇ１（第１の緑色画像用表示素子）
６１  緑色画像用表示素子Ｇ２（第２の緑色画像用表示素子）
６７  ダイクロイックプリズム（合成光学系）
６８  投射レンズ（結像光学系）
７０  照明光学系
８０  光源（照明光学系）
８１  照明レンズ（照明光学系）
８３  コンデンサレンズ（照明光学系）
７５，８４  アパーチャーアレー（または偏光子アレー）
７４，８５  リレーレンズ（結像光学系）
７２．８６  画像表示素子
７６  投射レンズ（第２の結像光学系）
９２  リレーレンズ（結像光学系）
９１  画像表示素子
９４  レンズアレー
９７  拡散性スクリーン（拡散板）
【図１】
2008256740.tif 000003
【図２】
2008256740.tif 000004
【図３】
2008256740.tif 000005
【図４】
2008256740.tif 000006
【図５】
2008256740.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008256740.tif 000009
【図８】
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【図９】
2008256740.tif 000011
【図１０】
2008256740.tif 000012
【図１１】
2008256740.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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