(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、照明光源と、複数の画素をもつ空間光変調素子と、前記画素の縮小像を生成する画素縮小手段と、画素ずらし手段と、拡大投射光学系とを有し、前記画素の縮小像は前記拡大投射光学系によって投影面に拡大投射され、かつ、前記画素ずらし手段によって、像面上に表示される画素の像の位置がずらして表示される画像表示装置において、
前記画素縮小手段によって生成される前記空間光変調素子の画素の縮小像を画素縮小像とし、拡大投射光学系を介して投影面上に投影される前記画素の像を画素拡大像とするとき、前記画素縮小像は前記画素拡大像を拡大投影倍率で除した大きさよりも小さいことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像表示装置において、
前記画素拡大像及び前記画素縮小像の光強度分布を各々の最大光強度で規格化して得られる規格化光強度分布において、特に分布の周辺部における規格化光強度が、画素縮小像＜画素拡大像の関係にあることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項２記載の画像表示装置において、
前記画素縮小手段は、前記空間変調素子が有する複数の画素の各々に対して１対1に対応して配列された正のパワーを有するマイクロレンズアレイを含んでいることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項３記載の画像表示装置において、
前記マイクロレンズアレイは非球面を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
請求項４記載の画像表示装置において、
前記非球面を規定する式におけるコーニック定数が負であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項６】
請求項５記載の画像表示装置において、
前記マイクロレンズアレイの光軸と平行に入射する光線の集光特性よりも、前記光軸と非平行に入射する光線の集光特性の方が良好であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
請求項５記載の画像表示装置において、
前記画素縮小像が最小となる位置よりも前記空間変調素子に近い位置に前記拡大投射光学系の物体面を配置したことを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
請求項７記載の画像表示装置において、
前記画素縮小手段により前記画素縮小像ができる位置である画素縮小像面と、前記投影面としての画素拡大像面とが光学的に共役なる関係を満たしていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項８記載の画像表示装置において、
前記画素縮小手段及び前記空間変調素子が発生する色収差とその他の光学系が発生する色収差は量が同一で符号が逆であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項８記載の画像表示装置において、
前記画素縮小手段又は前記空間変調素子が発生する色収差とその他の光学系が発生する色収差は量が同一で符号が逆であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のうちの何れか１つに記載の画像表示装置において、
照明光をＲＧＢの３つの波長帯域に分離し、空間光変調素子をＲＧＢの３つの波長帯域に対応して３個設け、ＲＧＢ各々の画像を生成し、それらを合成し、拡大投射するとき、ＲＧＢの各波長帯域に対応する光路内に、倍率色収差を補正する補正光学素子を有す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、空間光変調素子を用いた液晶プロジェクタ等の画像表示装置に関し、詳しくは、画素ずらし手段と、画素縮小手段を併せ持つ画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調素子（以下ライトバルブと称する）のパネル上の表示画像を、拡大光学系によってスクリーン上に投射するプロジェクタ装置において、投影像の画素数増加による投影画像の高精細化が進展している。
投影画像を高精細化する最も一般的な方法は、ライトバルブの画素数そのものを増やす方法である。しかし、ライトバルブの画素数を増やすには１画素のサイズを小さくする必要がある。このことはライトバルブのコストアップに影響する。
画素サイズを小さくしないで画素数を増やすにはライトバルブの面積を大きくすればよい。しかし、ライトバルブの面積を大きくして照明光学系や投射光学系を小さくするのは難しい。投射装置の小型軽量化は重要であり、ライトバルブのサイズは小型化している。
【０００３】
これとは別なる方法として、ライトバルブの画素数を増やすことなく、拡大投射画像の画素数が見かけ上多くなるようにする表示方法が提案されている。
それは、ライトバルブの画素を投影する位置を、微小量ずらして投影表示する方法である。この方法を以下、画素ずらし表示法と称する。
画素ずらし表示法を行うには、画素ずらし表示をしない場合の１フレームの表示情報を２つ以上のサブフレーム表示情報に分割し、分割したサブフレームの表示情報を、表示位置を僅かにずらして投影する。
ずらし方としては、複数のサブフレームで構成された複数の別なる画面を静的に重ねて投影する方法と、これらを時分割で投影表示する方法がある。
投影画素の移動量は投影画素サイズよりも小さくした方がよい。投影画素の１／２程度ずらすのが好ましい。
【０００４】
画素の投影位置をずらす方法としては、静的な重ね合わせ投影表示の場合には、複数の投射装置を用いて、その各々が分割したサブフレームの画像を投影するという方法がある。動的に時分割投影表示する場合には、アクティブな画素ずらし手段を以ってサブフレーム画像を時分割投影表示する。
時分割投影表示する場合には、画像の投影位置を、画像を表示する周波数よりも高速に、投影面上で移動させる。標準的なフレーム周波数を６０Ｈｚとすると、２つのサブフレームに分割して交互に画素ずらし表示する場合には、各サブフレームの表示周波数は１２０Ｈｚとなる。同様に、４つのサブフレームに分割して交互に画素ずらし表示する場合には、各サブフレームの表示周波数は２４０Ｈｚとなる。
【０００５】
画像の表示位置を移動させる方法としては、例えば、光透過性基板、ＩＴＯ電極層、液晶層、ＩＴＯ電極層、光透過性基板の積層構成素子を投射系の光路中におき、液晶層にＩＴＯ電極によって電界を印加することにより、液晶の配向方向を電気的にスイッチングさせ、液晶層中を通過する光路を複屈折効果によって平行シフトさせる方法がある。
垂直配向型強誘電性液晶の長軸の方向を、光軸に対し、光軸を含む面内で±に傾くようにスイッチング動作させることにより、液晶層を通過する光線の出射位置を、光軸を含む面内で±にシフト動作させることができる。このような画素ずらし素子に関する説明の詳細は特開２００２−２１４５７９号公報に記載されているので省略する。この他の方法によっても画素ずらし表示は可能であり、多くの開示例がある。
【０００６】
ところで、ライトバルブの画素を投影表示するとき、投影表示されるライトバルブの画素像の理想的な表示領域の大きさは、通常のプロジェクタ装置においては画素サイズ×投影倍率である。このときには、隣接する画素の像はほぼ隙間なく投影されている。厳密には、ライトバルブ本体の画素間に隙間があるので、隙間の領域は黒く表示されているが、黒く表示されている領域は画素と比べればはるかに細い。この状態において画素ずらし表示を行うと、表示される隣接画素の像が一部重なることになる。
図９に示すように、画素サイズの１／２ピッチずらして２つの画素を表示した状態では、図１０に示すように、２つの画素の一部が重なってしまう。重なっている領域をハッチングして示している。このような表示状態では、ＣＴＦ値が劣化し、画像パターンによっては輪郭・エッジのぼけた画像になる。輪郭のぼけは画像の濃淡差の大きいところにおいて特に顕著である。文字や図面などエッジが目立つ画像を表示する場合にこのぼけが目立つことになる。
【０００７】
上述の画像ぼけを改善する方法として、投影面上に投影するライトバルブの画素のサイズを縮小する方法がある。この方法を以下、画素縮小表示法と称する。
ここで、画素縮小表示法とは、投影画面全体のサイズを縮小してしまうことではなく、画面全体のサイズは変えずにライトバルブの画素の投影面上における表示像の大きさのみが縮小されるように表示する特殊な表示方法である。画素の投影像の大きさのみが縮小表示されるため、隣接する画素像同士は隙間を以って投影された状態となる。
図１１に示すように、空間変調素子の画素を縮小し、その像を拡大投射するようにすると、拡大投射された画素の像のサイズは図９で示した例の場合より小さくなっている。画素縮小率を０．５とすると、拡大投影される画素のサイズは従来の１／２になっているので、この画素のサイズ相当、すなわち図９における画素のサイズの１／２相当画素ずらしして表示したときに、図１２に示すように、２つの画素像の重なりはほとんどなくなる。
【０００８】
このように、画素縮小表示法を併用して、半画素相当の移動量を以って画素ずらし表示を行うことにより、隣接する画素像の重なりの問題をほぼ解消でき、これにより、画像のぼけは低減されうると、考えられてきた。
プロジェクタ装置の高解像化手段として、画素ずらし表示方式が提案されている。これは、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標：テキサスインストルメント社製）やライトバルブなどの空間変調素子の画素数を増加することなく表示画素数を増やす方法である。すなわち、空間変調素子上の画素を拡大表示する位置を光学的手段などにより１画素以下程度ずらして時分割表示し、ずらして表示される各々の画素には必要に応じて異なる画像情報を与えることによって、見かけ上空間変調素子の画素数よりも多くの画素を表示するという方式である。
時分割表示法の他には、複数台の画像投射装置を用いて、一枚の画像情報を複数に分け、分割された複数の画像を同一の投影面に重ね、投射位置をずらして、互いの画素がずれるように投射する方式もある。
【０００９】
画素毎に空間光変調器（例えば液晶素子）の画像を光学的に変位させて空間光変調器の解像度以上の画像を投影する方式としては、特開平４−１１３３０８号公報（特許第２９３９２６号）、特開平５−２８９０４４号公報、特開平９−１５２５７２号公報、特開平６−３２４３２０号公報、特開２０００−９８９６８号公報等に記載のものがある。
これらは、走査線に垂直な２つの位置、又は縦横４つの位置に画素を光軸シフトにより光学的に変位させることにより、変位させるサブフィールドを２枚又は４枚とすることにより、スクリーン上で、それぞれ２倍及び４倍の解像度を得ることができるとしている。
【００１０】
また、特開平８−１９４２０７号公報、特開平９−２３０３２９号公報、特開平９−０１５５４８号公報等には、画素の配列と光軸シフトの変位量及び変位方向を制御することにより、一方向に空間的にフィルタで空間分割したＲＧＢ画素を、同じ方向に３つの位置を変位させて重ねることにより３倍の解像度の向上を行ったり、シフトすることによってＲＧＢのデルタ配列を実現したり、一部の画素のみをシフトして特定部分のみ高解像度化するという装置も開示されている。
また、特開平４−１１３３０８号公報には、既に画素ピッチよりも画素サイズが１／２より小さい画素を有する空間光変調素子の構成が表示され、これと画素ずらし手段を用いて解像度を高くする投射画像形成装置が開示されている。なお、ここでは隣接する画素間の重なりは指摘されていない。
【００１１】
上記の画素ずらし方式においては、表示される画素像の大きさが画素ずらしをしない場合と同一であると、画素をずらした際に隣接する画素領域と重なってしまうため、表示画素のサイズを縮小することが好ましい。画素像を縮小させるためには、空間光変調素子の各画素と拡大投射光学系の間に画素の縮小像を中間的に生成する手段を設け、縮小された中間像を拡大投射光学系によって表示させればよい。
【００１２】
特開平９−０５４５５４号公報には、画素ずらし手段により高解像度化を行う場合に、集光レンズによって透過型液晶パネルの開口よりも小さく集光する方法が開示されている。画素サイズを変形させる手段としては、透過型液晶パネルにマイクロレンズを組み合わせた構成が示されている。所定の形状サイズをもつ開口を有する透過型液晶ライトバルブの画素（開口）に対向してアクティブ素子を設けている。アクティブ素子によって全体の開口は小さくなる。その開口よりもさらに画素サイズを縮小するために、ここでは円形の外形形状を有するマイクロレンズを設けている。また、液晶ライトバルブと画素ずらし素子を用いた投射拡大装置によって一方向に２倍の高解像度化を行い、ライトバルブの画素開口ごとに対応する集光光学系群を用いて、表示画像を構成する各画素のサイズを縮小する例が示されている。なお、ここでは画素を形成する光強度分布の詳細については述べられていない。
【００１３】
【特許文献１】特開平４−１１３３０８号公報
【特許文献２】特開平５−２８９０４４号公報
【特許文献３】特開平９−１５２５７２号公報
【特許文献４】特開平６−３２４３２０号公報
【特許文献５】特開２０００−９８９６８号公報
【特許文献６】特開平８−１９４２０７号公報
【特許文献７】特開平９−２３０３２９号公報
【特許文献８】特開平９−０１５５４８号公報
【特許文献９】特開平９−０５４５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、後述するように、画素縮小手段を付加することによって表示画素間の重なりが無くなるという説明は実は不充分である。そのときの各表示画素の光強度分布プロファイルがどのようになっていても画質は同等かというとそうではないからである。
特開平４−１１３３０８号公報に記載のものと同様に、ＭＴＦの高い投射レンズを用いた場合には、解像度は高くなるが、「ジャギー」等の視認性の問題が顕在化してくるのである。
このときに投射レンズのＭＴＦを相対的に低くすれば「ジャギー」等が目立たなくなるが「鮮鋭性」が大きく減少するため、結果的には高解像度映像プロジェクタや高解像度データプロジェクタが本来狙っている画像特性を画素ずらし手段によって形成することができない。すなわち、画素ずらし手段を用いただけでは不充分であり、画素縮小するだけでもなお不充分である。
【００１５】
画素ずらし表示する場合には、画素縮小表示法を併用した方が良好な画像が得られる。例えば、上下左右に順次的に画素ずらし表示を行う場合、投射画素像の面積は通常の面積の１／４程度にすることが好ましい。
しかしながら、実際に投影される画素像は、図１３に示すような矩形的な光強度分布を有するものではなく、図１４に示すように、画素像の中心付近が明るく周辺が暗い分布特性になる。図１３は、理想的な画素像の光強度分布Ｌ０を示している。この矩形の光強度分布Ｌ０は、隣の画素領域にはみ出しておらず、画素領域の境界で強度がゼロに落ちる。図１３において縦軸は光強度を、横軸は距離を示している（他の図において同じ）。
図１４に示すように、実際の画素像の光強度分布Ｌ１は、隣の画素領域にはみ出しており、画素領域の境界で強度がゼロに落ちない。
【００１６】
上記の分布において、理想的な画素像の表示エリアは、１辺が「空間変調素子の画素サイズ×拡大投射倍率×０．５」なる正方形のエリアである。この理想的な表示エリアの内外における画素像の光強度分布のありようによって、画像の見え方、画質は変わってくる。
例えば、上記の画素像の理想的なる表示エリア内に画素像の光強度の全てが収まるようにすると、画素像のエリア内において中心は非常に明るいがエリアのエッジ近傍では暗すぎる状態になる。このような場合には、隣接する画素エリア間の画像の連続性が失われてしまう。
【００１７】
一方、上記の理想的なる表示エリアの隣接領域における光量比が多すぎると、これまで述べてきたように隣接画素間の分解能が劣化してしまう。このような場合、例えば１画素単位のラインアンドスペースの画像パターンを表示したときに、ラインとスペースの境界のシャープネスが劣化してしまう。
従って、図１５に示すように、画素像の表示エリア内においては光強度が高く、表示エリアを越えた隣接領域においては光強度が急峻に立ち下がるような光強度分布Ｌ２が望ましい。隣接画素表示エリアの光強度が低いほどＣＴＦ特性の高い画像が再生できる。
このような光強度分布Ｌ２が得られるようにするには、画素縮小手段によって得られる画素縮小像の光強度分布を制御し、拡大投射光学系によって投影される画素像の光強度分布を制御することになる。
【００１８】
ここで、拡大投射光学系によって投影される投射画素像のサイズを基準とし、拡大投射光学系の倍率をＮ倍とするとき、画素縮小系で生成する縮小中間像のサイズを、前記投射画素像の１／Ｎとすれば、投射画素像のサイズは所望の大きさになるはずであるが、実際にはこれより大きくなり、特に理想的な表示エリアからはみ出した領域の光量比が増加してしまうということが判った。
拡大倍率Ｍをもつ拡大投射光学系は表示画面全体のサイズをＭ倍に拡大するが、このとき、Ｍ倍に拡大された画面を構成する画素の拡大表示サイズはＭ倍よりも大きくなってしまうということである。
【００１９】
そこで、本発明は、画素縮小手段と画素ずらし手段を有する投射型の画像表示装置において、所望の大きさの投射画素像を得ることができるようにすることを、その主な目的する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、少なくとも、照明光源と、複数の画素をもつ空間光変調素子と、前記画素の縮小像を生成する画素縮小手段と、画素ずらし手段と、拡大投射光学系とを有し、前記画素の縮小像は前記拡大投射光学系によって投影面に拡大投射され、かつ、前記画素ずらし手段によって、像面上に表示される画素の像の位置がずらして表示される画像表示装置において、前記画素縮小手段によって生成される前記空間光変調素子の画素の縮小像を画素縮小像とし、拡大投射光学系を介して投影面上に投影される前記画素の像を画素拡大像とするとき、前記画素縮小像は前記画素拡大像を拡大投影倍率で除した大きさよりも小さいことを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の画像表示装置において、前記画素拡大像及び前記画素縮小像の光強度分布を各々の最大光強度で規格化して得られる規格化光強度分布において、特に分布の周辺部における規格化光強度が、画素縮小像＜画素拡大像の関係にあることを特徴とする。
ここでは、特に、画素ずらしして投影される画素拡大像の重なりによる画像ぼけの補正効果の高い画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２２】
請求項３記載の発明では、請求項２記載の画像表示装置において、前記画素縮小手段は、前記空間変調素子が有する複数の画素の各々に対して１対1に対応して配列された正のパワーを有するマイクロレンズアレイを含んでいることを特徴とする。
ここでは、請求項１又は２における具体的な画素縮小手段を提供することを目的としている。
【００２３】
請求項４記載の発明では、請求項３記載の画像表示装置において、前記マイクロレンズアレイは非球面を有することを特徴とする。
ここでは、特に、画素縮小像の特性が良好となる画素縮小手段を有する画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２４】
請求項５記載の発明では、請求項４記載の画像表示装置において、前記非球面を規定する式におけるコーニック定数が負であることを特徴とする。
ここでは、特に、画素縮小像の特性が良好となる画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２５】
請求項６記載の発明では、請求項５記載の画像表示装置において、前記マイクロレンズアレイの光軸と平行に入射する光線の集光特性よりも、前記光軸と非平行に入射する光線の集光特性の方が良好であることを特徴とする。
ここでは、特に、画素縮小像の特性が良好となる画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２６】
請求項７記載の発明では、請求項５記載の画像表示装置において、前記画素縮小像が最小となる位置よりも前記空間変調素子に近い位置に前記拡大投射光学系の物体面を配置したことを特徴とする。
ここでは、特に、良好な画像を得るに適した画素拡大像の光強度分布が得られる画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２７】
請求項８記載の発明では、請求項７記載の画像表示装置において、前記画素縮小手段により前記画素縮小像ができる位置である画素縮小像面と、前記投影面としての画素拡大像面とが光学的に共役なる関係を満たしていることを特徴とする。
ここでは、特に、画素縮小像を投影面に拡大投影する際に、画素拡大像を所望の大きさに収めるとともに、画面全体を正規の横倍率にて投影表示する画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２８】
請求項９記載の発明では、請求項８記載の画像表示装置において、前記画素縮小手段及び前記空間変調素子が発生する色収差とその他の光学系が発生する色収差は量が同一で符号が逆であることを特徴とする。
ここでは、特に、色収差を抑制することを目的としている。
【００２９】
請求項１０記載の発明では、請求項８記載の画像表示装置において、前記画素縮小手段又は前記空間変調素子が発生する色収差とその他の光学系が発生する色収差は量が同一で符号が逆であることを特徴とする。
ここでは、特に、色収差を抑制することを目的としている。
【００３０】
請求項１１記載の発明では、請求項８乃至１０うちの何れか１つに記載の画像表示装置において、照明光をＲＧＢの３つの波長帯域に分離し、空間光変調素子をＲＧＢの３つの波長帯域に対応して３個設け、ＲＧＢ各々の画像を生成し、それらを合成し、拡大投射するとき、ＲＧＢの各波長帯域に対応する光路内に、倍率色収差を補正する補正光学素子を有することを特徴とする。
ここでは、特に、照明光をＲＧＢの３波長帯域に分離し、各々の波長帯域に対して個別に空間光変調素子と画素縮小手段を設けてＲＧＢの画像を生成し、分離生成されたＲＧＢの画像を合成し、合成画像を画素ずらし投影する場合において、倍率色収差の補正が可能な画像表示装置を提供することを目的としている。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１記載の発明によれば、少なくとも、照明光源と、複数の画素をもつ空間光変調素子と、前記画素の縮小像を生成する画素縮小手段と、画素ずらし手段と、拡大投射光学系とを有し、前記画素の縮小像は前記拡大投射光学系によって投影面に拡大投射され、かつ、前記画素ずらし手段によって、像面上に表示される画素の像の位置がずらして表示される画像表示装置において、前記画素縮小手段によって生成される前記空間光変調素子の画素の縮小像を画素縮小像とし、拡大投射光学系を介して投影面上に投影される前記画素の像を画素拡大像とするとき、前記画素縮小像は前記画素拡大像を拡大投影倍率で除した大きさよりも小さいこととしたので、投影面における画素の像を適切な大きさに投影することができ、隣接する画素拡大像同士の重なりが少なくなり、画像ぼけの補正効果が高くなる。つまり、画素縮小像を小さめにしておくと、拡大投射された画素が隣接間で重ならないようにできる。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の画像表示装置において、前記画素拡大像及び前記画素縮小像の光強度分布を各々の最大光強度で規格化して得られる規格化光強度分布において、特に分布の周辺部における規格化光強度が、画素縮小像＜画素拡大像の関係にあることとしたので、画素ずらし投影したときの、隣接画素間の重なりにより画像のエッジぼけが改善される。
【００３３】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の画像表示装置において、前記画素縮小手段は、前記空間変調素子が有する複数の画素の各々に対して１対1に対応して配列された正のパワーを有するマイクロレンズアレイを含んでいることとしたので、隣接する画素拡大像間に隙間のある画面を生成できる。
隙間のサイズを画素拡大像の大きさと略同一にして、画素ずらしする距離を隙間のサイズに等しく表示すると、隣接する画素拡大像同士の重なりが極めて少なく、表示画素数を見かけ上増加させることができる。請求項１又は２の条件を満たすことによって、隣接する画素拡大像同士の重なりは少なくなり、画像のエッジぼけが改善される。
【００３４】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の画像表示装置において、前記マイクロレンズアレイは非球面を有することとしたので、画素縮小像の光強度分布を良好に制御することができ、特に光強度分布の周辺部の広がりを抑制することができる。これにより、画素拡大像の光強度分布についても、隣接する画素拡大像エリアへの広がりが抑制され、隣接する拡大画素像同士の重なりが少なくなり、ＣＴＦ特性が向上し、画像のエッジぼけが改善される。
【００３５】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の画像表示装置において、前記非球面を規定する式におけるコーニック定数が負であることとしたので、画素縮小像の光強度分布の広がりを抑制する機能がさらに得られる。画素拡大像同士の重なりは少なくなり、ＣＴＦ特性が更に向上し、画像のエッジぼけが改善される。
【００３６】
請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の画像表示装置において、前記マイクロレンズアレイの光軸と平行に入射する光線の集光特性よりも、前記光軸と非平行に入射する光線の集光特性の方が良好であることとしたので、
【００３７】
請求項７記載の発明によれば、請求項５記載の画像表示装置において、前記画素縮小像が最小となる位置よりも前記空間変調素子に近い位置に前記拡大投射光学系の物体面を配置したので、さらに画素縮小像の光強度分布の広がりが抑制され、投影面に投影される画素拡大像の広がりも抑制される。ランプ照明光の配向分布は０°に光強度のピークをもたないことが多い。このことを考慮した集光特性を有するマイクロレンズを用いることによって、上記機能を得ることができ、隣接する画素拡大像同士の重なりが少なくなり、ＣＴＦ特性が向上し、画像のエッジぼけが改善される。
【００３８】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の画像表示装置において、前記画素縮小像面と前記画素拡大像面が光学的に共役なる関係を満たしていることとしたので、投影面に拡大投影される画素拡大像の大きさを所望の大きさに収めることができ、画面全体を正規の横倍率で投影表示できる。
【００３９】
請求項９記載の発明によれば、請求項８記載の画像表示装置において、前記画素縮小手段及び前記空間変調素子が発生する色収差とその他の光学系が発生する色収差は量が同一で符号が逆であることとしたので、投影画像の色収差を抑制することができる。
【００４０】
請求項１０記載の発明によれば、請求項８記載の画像表示装置において、前記画素縮小手段又は前記空間変調素子が発生する色収差とその他の光学系が発生する色収差は量が同一で符号が逆であることとしたので、投影画像の色収差を抑制することができる。
【００４１】
請求項１１記載の発明によれば、請求項８乃至１０のうちの何れか１つに記載の画像表示装置において、照明光をＲＧＢの３つの波長帯域に分離し、空間光変調素子をＲＧＢの３つの波長帯域に対応して３個設け、ＲＧＢ各々の画像を生成し、それらを合成し、拡大投射するとき、ＲＧＢの各波長帯域に対応する光路内に、倍率色収差を補正する補正光学素子を有することとしたので、残存する色収差の補正手段をＲＧＢの３波長帯域に分離した各々の系内で副次的に独立補正することができ、画素ずらし投影した画像の倍率色収差を高い精度で補正し、色ずれのない画像を表示できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の第１の実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。
まず、本実施形態における画像表示装置の構成の概要を説明する。
ランプ光源から発生した照明光は無偏光の白色光である。これをフライアイレンズアレイなどを用いて照度の空間分布を均一化させる。これを偏光板によって直線偏光に変換する。次に、偏光分離素子によって照明光を反射させる。偏光分離素子としては偏光ビームスプリッタが代表的な素子である。
反射された照明光をスキュー補正板に通す。次に、色分解プリズムによってＲＧＢの３色に分離する。ここから先はＲＧＢ３色に光路が分離されるので、そのうちの一つの光路について説明する。色分離した照明光を画素縮小手段に通す。次に反射型ライトバルブの画素面を照射する。照明光は反射される。この反射光を再び画素縮小手段に通す。
この過程において、照明光は都合２回画素縮小手段を通っている。ここで、画素縮小手段は、ライトバルブの画素のそれぞれについて画素縮小像を生成させるようにしたいので、複数の画素のそれぞれに対して１対１に対応するように設定している。画素縮小手段を１回目に通ったとき、照明光がやや集光されるようにする。これにより、照明光はライトバルブの画素全体ではなく、中心を含む一部を照明するようにする。
【００４３】
さらに、ライトバルブを反射した照明光が画素縮小手段を２回目に通るときにも、やはり照明光が集光されるようにする。このようにして、一つの画素を照明した光束は絞られた状態にする。絞られているのであるから、光束の断面は画素よりも小さくなっている状態ができる。この状態を画素縮小像とする。
このような画素縮小像が全ての画素についてできている状態にする。光束は一回絞られた後再び発散状態に移行する。発散状態に移行した照明光を前出のスキュー補正板に通す。ここで３つの光路から戻ってきた３色の照明光を色合成プリズムによって合成する。次に合成した照明光を波長板に通す。この波長板は前記偏向板とクロスニコルの配置条件を満たすように設ける。
波長板を通過した照明光を画素ずらし手段に通す。画素ずらし手段としては液晶を用いた光路シフト機能をもつ画素ずらし手段が従来より提案されているので、これを用いることができる。画素ずらし手段を通過した照明光を拡大投射光学系に通す。拡大投射光学系を通り、照明光は投影面に至る。
【００４４】
次に、図６に基づいて本実施形態における画像表示装置の構成の具体的一例を説明する。
ランプ光源３１から射出される照明光は、ＵＶカットフィルタ３２とＩＲカットフィルタを通り、２枚のマイクロレンズアレイ板３４によって照度の空間分布を均一化される。
その後、照明光は色分離フィルタ３５で光路分離され、ミラー３６により光路偏向される。符号３７、３８は光路分離された２つの光路長を補正するレンズを示し、符号３９は色分離フィルタを示す。照明光は半波長板４０で直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４１に入る。
符号４２は反射型ライトバルブ素子と画像縮小素子を一体化した素子を示し、符号４３は倍率色収差補正用レンズを示している。
色分離フィルタ３５、３９によりＲＧＢに分離された照明光は、クロスプリズム４４で色合成される。クロスプリズム４４を出た照明光はリターダ偏光子４５を通り、Ｘ方向への画素ずらし機能を有する画素ずらし素子４６と、Ｙ方向への画素ずらし機能を有する画素ずらし素子４７、拡大投射光学系４８を通って図示しない投影面に至る。
【００４５】
上記の構成と照明光の経路条件において、反射型ライトバルブ素子の構成例としては、シリコンバックプレーン上に画素面、液晶層、カバーガラス層が積層された構成が知られているが、ここでは、前記液晶層とマイクロレンズアレイ基板を、接着層を介して接合している。マイクロレンズアレイは、以下に説明するように画素縮小手段として機能する。
図１に示すように、反射型ライトバルブ素子１５は、複数の画素エリア（以下、単に「画素」ともいう）１４から成り立っている。図２に示すように、画素エリア１４には、マイクロレンズ１２が接着層１３を介して配置されている。図２において、符号１１はマイクロレンズ１２のアレイに対する光透過性基板を示す。
上記のマイクロレンズアレイ基板上には複数のマイクロレンズ１２が配列されており、それらは反射型ライトバルブ素子１５が有する複数の画素１４と１対１に対応して配置されており、マイクロレンズ１２の光軸と画素１４の中心は一致して構成されている。ここではマイクロレンズ１２の開口形状は正方形にしている。
【００４６】
マイクロレンズ１２の焦点距離は、マイクロレンズ１２の主点から画素１４の面までの距離の２倍より長いことが望ましい。このようにすれば、マイクロレンズ１２側から照明光を導光すると、照明光はマイクロレンズ１２を透過して集光ぎみになって画素１４を照射する。画素１４を照射した照明光は画素１４で反射されて、マイクロレンズ１２を透過し、さらに集光されるという状態ができる。
具体的に説明すると、図３に示すように、照明光は図の右側から入射し、マイクロレンズ１２、接着層１３を介して反射型ライトバルブ素子１５の画素１４の面で反射し、接着層１３、マイクロレンズ１２、光透過性基板１１の順に進み、ＡＡ’の平面上において光束が集まり、画素１４の縮小像ができる。図の右側に拡大投射光学系４８が位置する。ＡＡ’を縮小像面位置とするとき、ＡＡ’の位置と光学的に共役な位置に投射面（図示せず）を配置する。
【００４７】
ランプ光源３１から生成される照明光は所定の角度範囲の光線成分から成る光束であるので、集光位置における光束が完全に一点に集光されることはなく、有限の大きさになる。
そこで、前記光束が集光されている位置ＡＡ’を画素縮小像面と定義し、この面における中間像を画素縮小像と定義する。
画素縮小像は反射型ライトバルブ素子１５の画素１４よりも小さくなっていることは上記の説明から理解される。この状態を画素縮小されていると定義する。
上記したように、画素縮小像面ＡＡ’で集光された光束は再び発散光になり、拡大投射光学系４８に導かれる。画素縮小像面ＡＡ’が、拡大投射光学系４８の物体面となるように配置すると、前記物体面上の画素縮小像を拡大投射光学系４８における像面上に拡大投影することができる。
【００４８】
このとき、図４に示すように、前記画素縮小像と前記画素拡大像の規格化空間光強度分布の特に周辺部における相対光強度をそれぞれＬ３、Ｌ４とするとき、Ｌ３＜Ｌ４となるようにすることが好ましい。
光強度分布Ｌ３とＬ４は規格化したもので、光強度分布Ｌ３は光強度分布Ｌ４より幅が狭くなるようにする。また、光強度分布Ｌ４より光強度分布Ｌ３は周辺部の規格化光強度値も小さくしている。
なお、ここでの「周辺部」とは上述した理想的な画素像の表示エリアより外側の領域のことである。「周辺部」の定義について詳しく述べると、ここでは、画素像の理想的な表示領域を越えたエリア、つまり隣の画素像表示領域に及んでいる部分のことをいう。
ここでの画素拡大像の理想的な表示領域とは、表示画面の縦方向長さをＡ、横方向長さをＢとし、縦方向の表示画素数をＣ、横方向の表示画素数をＤとするとき、縦方向がＡ／Ｃで横方向がＢ／Ｄなる矩形領域のことである。またここでの画素縮小像の理想的な表示領域とは、画素縮小像から構成される中間像面の画面全域の縦方向長さをＡ／Ｍ、横方向長さをＢ／Ｍ（Ｍは拡大投射倍率）とするとき、縦方向がＡ／Ｍ／Ｃ、横方向がＢ／Ｍ／Ｄなる矩形領域のことである。厳密には、画素縮小像の場合には実際には表示しているわけではないが、ここでは説明のため便宜的に表示領域と表現した。
【００４９】
Ｌ３≧Ｌ４としてしまうと、投影面上の画素拡大像の光強度分布は広がってしまい、画面がぼけてしまう。
例えば、反射型ライトバルブ素子１５の画素１４を正方形とし、その辺長を１０ミクロンとし、拡大投射光学系４８の拡大倍率を６０倍として、画素縮小と画素ずらし表示をしない通常の拡大投射を行う場合、反射型ライトバルブ素子１５上に形成される画像は６０倍に拡大されて投射される。
つまり、画面全体のサイズが６０倍に拡大される。このとき、投影面上における理想的な画素拡大像の表示エリアの辺長は６００ミクロンであるが、投影画面上における画素拡大像は６００ミクロン以上になってしまう。
【００５０】
次に、画素縮小と画素ずらし表示を併用して６０倍の拡大投射を行う場合においては、投影面上における画素表示領域の理想的な辺長はさきほどの半分、すなわち３００ミクロンとなる。このとき、画素縮小像の辺長を３００ミクロン／６０＝５ミクロンとすると、実際に拡大投影された画素像のサイズは３００ミクロン以上になってしまう。しかし、本実施形態においては、画素縮小像における辺長を５ミクロンよりも小さくしており、このようにすると、拡大投射光学系４８を介して生成される拡大投影面上における拡大画素像の辺長を３００ミクロン以上に広がるという問題を回避できる。
図５に、拡大投影像／拡大投射倍率の画素縮小像と、拡大投影像／拡大投射倍率より小さい画素縮小像の大きさの関係を示す。
【００５１】
以上の説明に用いた数値はあくまでも一例にすぎないが、要するに、縮小画素像のサイズは、拡大画素像のサイズを拡大倍率で徐した値よりも小さい、ということが、画素縮小手段と画素ずらし手段を用いる画像表示装置においては非常に重要である。
ここで、「小さい」の定義を述べる。縦軸を光強度、横軸を画素像の中心からの距離として、画素縮小像と画素拡大像の光強度分布曲線を表現することができる。この光強度分布を、縦軸については最大光強度で規格化し、横軸については画素像の理想的な表示エリアで規格化する。このように規格化した光強度分布を規格化光強度分布とする。次に、画素縮小像の規格化光強度分布と、画素拡大像の規格化光強度分布を比較する。このときに、グラフの横軸のどの位置においても、画素縮小像の規格化光強度分布曲線（図４のＬ３）は、画素拡大像の規格化光強度分布曲線（図４のＬ４）に重なっているかそれよりも内側に入っている状態を以って、「小さい」と定義する。
【００５２】
上記の空間光変調素子（反射型ライトバルブ素子１５）は、通常マトリクス状に配列された複数の画素領域１４を有している。この各々の画素領域に対して、画素領域の中心とマイクロレンズ１２の光軸が一致するようにマイクロレンズ１２を配置することを既に述べた。画素１４は複数あり、マイクロレンズ１２はその各々に対応するように配置している。すなわち、マイクロレンズ１２もマトリクス状に構成されている。
また、マイクロレンズ１２を画素の縮小像を生成する手段として機能させるためには、マイクロレンズ１２のパワーは正であることが望ましい（第２の実施形態）。また、マイクロレンズ１２の焦点距離をｆとすると、マイクロレンズ１２の主点位置から画素１４までの距離Ｌはｆ／２よりも短くすることが望ましい。
このようにすると、マイクロレンズ１２によって絞られた光束は画素１４の中心を含む画素１４の一部を照明する状態となり、また、画素１４から反射した光束はマイクロレンズ１２に戻り、マイクロレンズ１２を通過した後で最も光束が絞られる。
【００５３】
なお、上記のマイクロレンズアレイの屈折面が球面のときには、生成される画素縮小像の光強度分布を適切に制御することが難しいが、非球面化することによって（第３の実施形態）、画素縮小像の光強度分布を制御することができ、特に画素縮小像の光強度分布の周辺部の広がりを抑制することができるので、投射光学系でこの縮小像を投影したときにも、投影面に投影される画素像の周辺部の広がりが抑制され、隣接画素間の重なりが少なくなり、ＣＴＦ特性が向上し、画像のエッジぼけが改善されるという効果が、上記実施形態による効果に相乗作用する。
図７に示すように、投射画素プロファイルの規格化による光強度分布は、マイクロレンズ１２の形状が球面の場合（Ｌ５）よりも、非球面の場合（Ｌ６）の方が周辺の広がりは小さくなる。
【００５４】
マイクロレンズ１２を非球面化する場合、コーニック定数をマイナス値にすると画素縮小像の周辺の広がりを抑制する効果がえられ（第４の実施形態）、拡大投射光学系でこの画素縮小像を投影したときに得られる、画質に直結する画素拡大像の光強度分布においても周辺部の広がりは抑制され、画素ずらし表示したときには隣接する画素拡大像同士の重なりが少なくなる。これによりＣＴＦ特性が向上し、画像のエッジぼけが改善されるという効果が、上記実施形態による効果に相乗作用するが、計算したところでは、コーニック定数が正の場合には効果がなく、コーニック定数値として−５〜−１０程度が望ましいことが実験により判った。
【００５５】
マイクロレンズ１２に入射する光束がランプ光源である場合、既に述べたように、ランプ光源３１の発光特性は必ずしも放射角度がゼロのところに光強度のピークはなく、角度が２〜３度付近に光強度のピークがあることがある。
このような特性の照明光束に対しては画角がゼロの光束に対する集光特性が最大になるような性能のマイクロレンズ１２を用いるよりも、画角がゼロでない光束、望ましくはランプ光源３１の光強度のピークがある角度に対応する成分の集光効率がよいマイクロレンズ１２の方が望ましい（第５の実施形態）。
図８に示すように、投射画素プロファイルの規格化による光強度分布は、マイクロレンズ１２の形状が非球面で、レンズ光軸と平行入射成分に対する集光特性の最適化ウェイトを最大にした場合（Ｌ７）よりも、非平行入射成分の集光特性の最適化ウェイトを最大にした場合（Ｌ８）の方が周辺の広がりは小さくなる。
図８は、入射角３度の最適化ウェイトを最大にした場合の例である。
このようにした場合、画素縮小像の光強度分布の周辺部の広がりを抑制する効果が高くなり、拡大投射光学系４８でこの縮小像を投影したときにも、投影面に投影される画素像の周辺部の広がりが抑制されるので、画素ずらし表示したときには隣接する画素拡大像同士の重なりが少なくなり、ＣＴＦ特性が向上し、画像のエッジぼけが改善される。
【００５６】
得られた画素縮小像を拡大投射光学系４８によって拡大して投影面に画素の像を生成する際に、拡大光学系の像面を投影面とするとき、拡大投射光学系４８の物体面の位置と、画素縮小像の像面の配置関係によって、投影面上の画素拡大像の特性が変わってくる。
前記の物体面は、前記マイクロレンズアレイによって生成される画素縮小像の像面と略等しい位置、もしくは、前記像面よりも空間変調素子に近い位置に配置すると（第６の実施形態）、投影面上における画素の像を拡大投影して得られる画素像の光強度分布は周辺の広がりが少なくなるので、画素ずらし表示したときには隣接する画素拡大像同士の重なりが少なくなり、ＣＴＦ特性が向上し、画像のエッジぼけが改善される効果が高くなる。
【００５７】
拡大投射光学系４８は、前記画素縮小像面と前記画素拡大像面が光学的な共役関係にない場合には、画素縮小像の光強度分布特性を最適化しても、その特性を画素拡大像面上に再生することができなくなる。
このため、画素縮小像面と画素拡大像面が光学的に共役なる関係を満たすようにする（第７の実施形態）。
【００５８】
画素縮小手段及び空間変調素子、あるいは（画素縮小手段又は空間変調素子）における色収差を、画素縮小手段及び空間変調素子、あるいは（画素縮小手段又は空間変調素子）によって補正することは現実的には困難である。
そこでこれらの色収差とキャンセルするような色収差（量が同一で符号が逆）を他の光学系で発生させることによって、システム全体における色収差の発生を抑制することができる（第８の実施形態）。
【００５９】
次に、第９の実施形態を説明する。
冒頭に述べたシステムの例にあるように、白色照明光を色分解素子によってＲＧＢの３波長帯域に分離し、ＲＧＢの各々の照明光束を３枚の空間変調素子によってそれぞれ変調して画像を生成し、生成したＲＧＢの３枚の画像を色合成素子によって合成して投影させる場合、ＲＧＢの各波長帯域において発生する倍率色収差量は異なっているので、色合成した後の光学系で３波長の倍率色収差を同時に補正することは難しかった。
しかしながら本実施形態では、図６に示すように、３色のそれぞれを補正する補正光学素子としての倍率色収差補正用レンズ４３をＲＧＢ各々の光路内に設けるという構成を採ることによって、各色毎に調整が可能になるようにしたので、合成した後で一元的に補正するよりも合成された画像の倍率色収差の補正効果が高くなる。
上記各実施形態では、反射型ライトバルブ素子を用いた例を示したが、透過型ライトバルブ素子を用いた構成としても同様の機能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１の実施形態における反射型ライトバルブ素子の概要平面図である。
【図２】第１の実施形態における反射型ライトバルブ素子の概要断面図である。
【図３】第１の実施形態における反射型ライトバルブ素子における照明光の反射特性を示す図である。
【図４】第１の実施形態における拡大投射画素の光強度分布と画素縮小像の光強度分布の関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態における拡大投影像／拡大投射倍率の画素縮小像と、拡大投影像／拡大投射倍率より小さい画素縮小像の大きさの関係を示す図である。
【図６】第１の実施形態における画像表示装置の概要図である。
【図７】マイクロレンズが球面の場合と非球面の場合とにおける光強度分布の関係を示す図である。
【図８】マイクロレンズが非球面で、レンズ光軸と平行に入射する場合と非平行に入射する場合における光強度分布の関係を示す図である。
【図９】拡大投射された画素像と、１／２ピッチ画素ずらしして拡大投射された画素像の関係を示す図である。
【図１０】拡大投射された画素像の合成像を示す図である。
【図１１】拡大投射された画素縮小像と、１／２ピッチ画素ずらしして拡大投射された画素縮小像の関係を示す図である。
【図１２】拡大投射された画素縮小像の合成像を示す図である。
【図１３】理想的な画素像の光強度分布を示す図である。
【図１４】実際の画素像の光強度分布を示す図である。
【図１５】隣接画素表示エリアの光強度が低い光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１４  画素
１５  空間光変調素子としての反射型ライトバルブ素子
３１  照明光源としてのランプ光源
４２  画素縮小手段としての素子
４３  補正光学素子としての倍率色収差補正用レンズ
４６、４７  画素ずらし手段としての画素ずらし素子
４８  拡大投射光学系
【図１】
0004653416.tif 000002
【図２】
0004653416.tif 000003
【図３】
0004653416.tif 000004
【図４】
0004653416.tif 000005
【図５】
0004653416.tif 000006
【図６】
0004653416.tif 000007
【図７】
0004653416.tif 000008
【図８】
0004653416.tif 000009
【図９】
0004653416.tif 000010
【図１０】
0004653416.tif 000011
【図１１】
0004653416.tif 000012
【図１２】
0004653416.tif 000013
【図１３】
0004653416.tif 000014
【図１４】
0004653416.tif 000015
【図１５】
0004653416.tif 000016