(57)【要約】【課題】  白色光を３色の照明光に色分解して３つの反射型空間光変調手段に入射させ形成した単色映像光を色合成させて高輝度フルカラー化した映像光を、光軸シフト素子で高解像度化する際の色合成による映像光の解像度劣化を低減した高解像度の映像拡大装置を提供する。【解決手段】  光源からの白色照明光を反射型空間光変調手段に入射させる場合に、照明光を３色に色分解させた後にそれぞれ偏光分離素子に入射させ、さらに一定偏光方向の単色照明光をそれぞれの色に対応した１つの反射型光変調手段に入射させ、その反射光をふたたび同じ偏光分離素子に入射させた後に色合成し、さらにこの色合成した後に光軸シフト素子により高解像度化を行う。【選択図】  図１
2005301139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光のもととなる光を放出する光源と、
前記光源から放出される光から照明光を形成する照明光学手段と、
前記照明光をフレーム単位に分割された映像情報に従って映像光に変換する多数の微小シャッタ素子からなる複数の反射型空間光変調手段と、
前記複数の反射型空間光変調手段へ入射する前記照明光を３つの異なる色に分離する照明光色制御手段と、
前記複数の反射型空間光変調手段から出射された異なる色の前記映像光を合成する映像光色合成手段と、
前記反射型空間光変調手段からの前記映像光を拡大して拡大像を形成する像形成光学手段と、
前記反射型空間光変調手段と前記像形成光学手段との間に設けた前記像形成光学手段の光軸をシフトする光軸シフト手段と、からなることを特徴とする映像拡大装置において、
前記照明光学手段が、偏光方向制御手段を有し、
前記反射型空間光変調手段が、偏光回転手段と偏光分離手段を有し、
前記照明光色制御手段を、前記反射型空間光変調手段の偏光分離手段と前記光源との間に設け、
前記映像光色合成手段を、前記反射型空間光変調手段の偏光分離手段と前記光軸シフト手段との間に設け、
前記照明光色制御手段と３つの異なる色に対応した３つの前記反射型空間光変調手段のそれぞれの前記偏光回転手段との間に３つの前記反射型空間光変調手段のそれぞれの前記偏光分離手段を設け、
前記光軸シフト手段と３つの前記反射型空間光変調手段の前記偏光回転手段との間にそれぞれの３つの前記偏光分離手段と１つの前記映像光色合成手段を設けたことを特徴とする映像拡大装置。
【請求項２】
前記照明光色制御手段による３つの異なる色の前記照明光に対応した３つの前記反射型空間光変調手段のうちの２つの前記反射型空間光変調手段について設けた前記偏光分離手段が、この２つの前記反射型空間光変調手段に対して１つのみであり、かつ、この１つの前記偏光分離手段が２つの異なる色の前記映像光色合成手段であることを特徴とする請求項１記載の映像拡大装置。
【請求項３】
前記反射型空間光変調手段の前記偏光回転手段の多数の微小シャッタ素子からなる画素の画素プロファイルを変形させる微小画素プロファイル変形光学手段を前記各微小シャッタ素子ごとに設けたことを特徴とする請求項１または２記載の映像拡大装置。
【請求項４】
前記照明光学手段が２組のマルチレンズアレイを有し、前記反射型空間光変調手段側の前記マルチレンズアレイに対して前記光源側の前記マルチレンズアレイと共役な位置に照明用コンデンサレンズを設けた前記照明光学手段を有することを特徴とする請求項３記載の映像拡大装置。
【請求項５】
前記照明光学手段が、前記照明光の角度特性を制御する照明光角度制御手段を設けたことを特徴とする請求項３または４記載の映像拡大装置。
【請求項６】
前記照明光角度制御手段が、前記照明光の光束に対する開口遮光マスクを設けたことを特徴とする請求項３または４に記載の映像拡大装置。
【請求項７】
前記照明光角度制御手段が、前記照明光の光束に対する多階調性遮光マスクを設けたことを特徴とする請求項３または４に記載の映像拡大装置。
【請求項８】
前記照明光角度制御手段が、前記照明光の面均一性のために設けた２組のマルチレンズアレイとは別の２組のマルチレンズアレイを有することを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の映像拡大装置。
【請求項９】
前記照明光角度制御手段が、前記照明光の前記反射型空間光変調手段への最大入射角度が１０度以下であることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の映像拡大装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの白色光を複数の色の照明光に色分割して複数の反射型空間光変調手段に照明し、この映像を色合成したのちに光軸シフト素子を用いて高解像度化すると同時に像形成光学手段で拡大して観察する高解像度の映像拡大装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器を用いた映像拡大装置としては、単板式と呼ばれる空間光変調器を１枚用いたものと３板式と呼ばれる空間光変調器を３枚用いたものが一般に実用化されている。単板式の場合には、空間的に３分割された３つの画素がＲＧＢの３つの分光特性を有する画素を形成し、この３分割された画素に白色の照明光を入射させることにより、ＲＧＢからなる画像表示を行う方式と、空間的に３分割または４分割されたサブフィールドからなるフィールド単位で、サブフィールドをＲＧＢまたはＲＧＢＷの分光特性を有する照明光で空間光変調器のすべての画素に入射させることにより、ＲＧＢまたはＲＧＢＷからなる画像表示を行う方式とがある。
【０００３】
しかしながら、これら２つの方式のうち、前者の方式は、単純な照明装置のみで構成した場合には、空間光変調器を１つしか用いないので映像拡大装置が作製しやすく部品代もかからず、低コストであるがそのかわりに、照明光の光利用効率と解像度が約１／３となってしまい、画像品質が大きく低下してしまう。また、３板式と同程度の照明装置と空間光変調器に微小光学素子を設けることにより、光利用効率を向上することができるが、解像度は１／３になったままである。このため、単板式は４０型以下の小型の映像拡大装置に多く用いられるが、高い画像品質を有する５０型以上の大型には不向きである。また、時間的に均一化されるはずのＲＧＢ光が映像や視線の大きな移動により色分離して視認されるカラーブレイクが生じ易い。
【０００４】
これに対して、３板式は、照明光学系が複雑では有るが、白色の照明光をＲＧＢを基本に３つに色分離をして、その色分離された異なる分光特性のＲＧＢ照明光に対応させた３つの空間光変調器を用いてＲＧＢ独立に変調した後に、ダイクロイックプリズムでこれを色合成した後に、投射レンズで拡大像形成をするので、高コストではあるが高い光利用効率と解像度を実現することができる。３板式で、空間光変調器に反射型空間光変調器を用いた場合には、上記の方式以外に、１つのＰＢＳと１つのダイクロイックプリズムからなる構成、２つまたは４つのＰＢＳと色選択性偏光板（Symposium of International Display ２００１ DIGEST、ｐ．１０８４−ｐ．１０８７、カラーリンク社／米国、商品名＝カラーセレクト）とからなる構成、１つのダイクロイックプリズムに斜入射させる構成等も考案されている。
【０００５】
一方、光軸シフト素子を用いた投射画像の高解像度化に関する装置として、偏光方向を旋回できる光学素子と複屈折効果を有する透明素子を光軸シフト方向を直交させて２組用いることにより、縦２倍、横２倍で合計４倍の高解像度化する装置が、例えば、特許文献１に示されている。また、インターレス駆動の場合に走査線を補間する縦方向の２倍の高密度化する装置が、例えば、特許文献２、３に示されている。
【０００６】
しかしながら、従来と同様の構成で、光軸シフト素子を、３板式の反射型空間光変調器を用いた映像拡大装置に用いた場合には、空間光変調器としての動作および光軸シフト素子の動作として、照明光の偏光方向を一定方向とするため、高輝度化のためにあらかじめ偏光変換素子を設けると同じに偏光子を設けていることになるが、この偏光性照明光が、色分解および色合成のダイクロイックプリズムにより偏光解消効果を受け、光軸シフト素子に入射する映像光の偏光度が劣化してしまうことが生じる。これが、偏光依存性を有する偏光分離素子で反射型光変調器を合わせて光変調すると同時に、偏光依存性を有する光軸シフト素子において、光軸シフトする偏光方向と異なる偏光方向の映像光は、光軸シフトできないまま、投射レンズにより拡大されてスクリーン面に画像を形成してしまうためである。
【０００７】
図１１は、従来の映像拡大装置の例の一つであり、１０１は光源となる高圧水銀ランプと照明系の一部のリフレクタからなり、１０２は第１のフライアイレンズであり、１０３は第２のフライアイレンズであり、これは図示はしていないがＰＢＳアレイからなる偏光変換素子を密着せしめており、１０９はコンデンサレンズであり、１１７ａ、ｂは反射ミラーであり、１３０はクリーナ偏光子であり、１１２は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、１１４はダイクロイックプリズム（ＤＰ）でありそれぞれ、BとG光、およびG光を分離し、１０５ｒ、ｇ、ｂはそれぞれ反射型空間光変調器となるＬＣＯＳであり、１２０は２方向の光軸シフト素子であり、この光軸シフト素子は光軸シフト方向を直交して配置された単方向の光軸シフト素子１１０と１１１と図示はしていない偏光回転素子により構成され、１０７は投射レンズであり、この投射レンズによりＬＣＯＳの像が図示はしていないがスクリーンに形成される。
【０００８】
光軸シフト素子は、強誘電性液晶を基板に垂直配置向きせた素子を、光軸方向に対して基板を垂直する方向に配置し、かつ基板内で光軸方向に線対称な２つの方向にチルトするように電界を光軸と直交する方向に印加することにより液晶の複屈折性を利用して光軸シフトを行う素子でる。このため、この光軸シフト素子は、偏光依存性を有する光軸シフト素子であり、特定の偏光方向の光に対してのみ光軸シフトを行うことがでるが、これと直交する方向の光に対しては光軸シフトを行わない。
【０００９】
投射装置用のＬＣＯＳは一般にはコントラスト重視のためにノーマリブラック（電圧無印加時に黒表示。電圧印加時に白表示）動作であり、黒表示のときはＳ偏光はＳ偏光で反射し、Ｐ偏光はＰ偏光で反射する。白表示のときは、Ｓ偏光はＰ偏光で反射し、Ｐ偏光はＳ偏光で反射する。このとき、反射されたＳ偏光の光はＰＢＳにより再度反射され投射レンズの方向に進行しないが、空間光変調器によりＰ偏光に変換された光は、映像光となってＰＢＳを透過して投射レンズにより結像して、スクリーン上で白の画素となる。実際には、ＤＰで色分解されているので、動作としての白表示は、ＲＧＢのどれかの色の単色表示となり、これらがすべて白表示した場合に、色としての白色の表示画像を投射することができる。
【００１０】
このとき、光軸シフトにより画像を表示する場合においては、空間光変調器上の１つの画素が白と黒の動作を行い、例えば白表示を光軸シフトするときに、Ｓ偏光の光は白と黒として光軸シフトをすることができるが、ＤＰによって生じたＳ偏光は、本来は黒表示であるにもかかわらず、空間光変調器によって白表示になるＰ偏光に変換され、これはＰＢＳを透過する。このように光軸シフトできないことにより、Ｐ偏光の白表示の映像光が、黒表示の位置に白と黒が重なるよう表示される。これにより、画像のエッジ部分のシャープネスが劣化するのでＭＴＦが劣化するのと同じように、画像の解像度が劣化する。これは、ＰＢＳと投射レンズとの間に第２のクリーナ偏光子をいれても解消することはできない。
【００１１】
図１１において、前述のように１１４はダイクロイックプリズムを用いて色合成分解する従来の映像拡大装置にいては、ダイクロイックプリズムの色分解により偏光解消効果を受け、光軸シフト素子による高い空間周波数でのＭＴＦが劣化することにより、高解像度の効果が低減してしまっていた。
【００１２】
一方、光軸シフト素子を用いた映像拡大装置に対して、画素プロファイル変形素子を用いた発明が、例えば、特許文献４号公報に記載されている。これは、図１１に示すように反射型空間光変調器の光シャッタからなる各画素に対応してマイクロレンズまたはマイクロプリズム等の微小光学素子を設け、この画素プロファイルを変形することにより実効的な開口率を減少せしめる手段を設けている。これにより、光軸シフト素子により画素をその配列ピッチの１／２分をシフトした場合に、画素の重なりを低減することができるので、表示可能な空間周波数を向上することができる。この画素プロファイルを変形する手段は、マイクロレンズやマイクロプリズムのような透過型の光学素子を用いる場合以外にも、反射型のマイクロミラーを各画素に設けてもよい。これらの画素プロファイル変形素子は、複数の空間光変調器に対しても用いられている。
【００１３】
しかしながら、画素プロファイル変形素子を用いて変形された画素プロファイルの新たな画素は、元の画素と結像関係が成立しない場合があり、この場合の変形された画素プロファイルは、反射型空間光変調器への照明光の角度分布の影響を受ける。しかしながら、光源に放電ランプを用い、リフレクタとして曲面鏡を用いた場合に、通常はフライアイレンズやロッドレンズの均一照明手段を設けるものの、その角度分布を均一にすることは困難であり、所望の強度分布の画素プロファイルに変形することが困難であり、画素間の重なりが生じて解像度を劣化させていた。
【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６−３２４３２０号公報
【特許文献４】特開２００２−１７４８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は従来の上記問題を鑑みてなされたものであり、反射型の光空間変調器を３枚用いた３板式の高輝度の映像拡大装置において、光軸シフト素子を用いて高解像度化する場合に、色分解素子によって生じる偏光解消による光軸シフト不良による解像度の劣化を低減して、解像度を向上した映像拡大装置を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、反射型の光空間変調器を３枚用いた３板式の高輝度の映像拡大装置において、光軸シフト素子を用いて高解像度化する場合に、隣接するシフトされた画素間の重なりによる解像度の劣化を低減することにより、より高解像度化を実現した映像拡大装置を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、反射型の光空間変調器を３枚用いた３板式の高輝度の映像拡大装置において、光軸シフト素子を用いて高解像度化する場合に、隣接するシフトされた画素間の重なりによる解像度の劣化をさらに低減することにより、より一層に高解像度化を実現した映像拡大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】
【００１７】
請求項１記載の発明は、照明光のもととなる光を放出する光源と、前記光源から放出される光から照明光を形成する照明光学手段と、前記照明光をフレーム単位に分割された映像情報に従って映像光に変換する多数の微小シャッタ素子からなる複数の反射型空間光変調手段と、前記複数の反射型空間光変調手段へ入射する前記照明光を３つの異なる色に分離する照明光色制御手段と、前記複数の反射型空間光変調手段から出射された異なる色の前記映像光を合成する映像光色合成手段と、前記反射型空間光変調手段からの前記映像光を拡大して拡大像を形成する像形成光学手段と、前記反射型空間光変調手段と前記像形成光学手段との間に設けた前記像形成光学手段の光軸をシフトする光軸シフト手段と、からなることを特徴とする映像拡大装置において、前記照明光学手段が、偏光方向制御手段を有し、前記反射型空間光変調手段が、偏光回転手段と偏光分離手段を有し、前記照明光色制御手段を、前記反射型空間光変調手段の偏光分離手段と前記光源との間に設け、前記映像光色合成手段を、前記反射型空間光変調手段の偏光分離手段と前記光軸シフト手段との間に設け、前記照明光色制御手段と３つの異なる色に対応した３つの前記反射型空間光変調手段のそれぞれの前記偏光回転手段との間に３つの前記反射型空間光変調手段のそれぞれの前記偏光分離手段を設け、前記光軸シフト手段と３つの前記反射型空間光変調手段の前記偏光回転手段との間にそれぞれの３つの前記偏光分離手段と１つの前記映像光色合成手段を設けたことを特徴とする映像拡大装置である。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の映像拡大装置において、前記照明光色制御手段による３つの異なる色の前記照明光に対応した３つの前記反射型空間光変調手段のうちの２つの前記反射型空間光変調手段について設けた前記偏光分離手段が、この２つの前記反射型空間光変調手段に対して１つのみであり、かつ、この１つの前記偏光分離手段が２つの異なる色の前記映像光色合成手段である。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の映像拡大装置において、前記反射型空間光変調手段の前記偏光回転手段の多数の微小シャッタ素子からなる画素の画素プロファイルを変形させる微小画素プロファイル変形光学手段を前記各微小シャッタ素子ごとに設けた。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の映像拡大装置において、前記照明光学手段が２組のマルチレンズアレイを有し、前記反射型空間光変調手段側の前記マルチレンズアレイに対して前記光源側の前記マルチレンズアレイと共役な位置に照明用コンデンサレンズを設けた前記照明光学手段を有する。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の映像拡大装置において、前記照明光学手段が、前記照明光の角度特性を制御する照明光角度制御手段を設けた。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項３または４記載の映像拡大装置において、前記照明光角度制御手段が、前記照明光の光束に対する開口遮光マスクを設けた。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項３または４記載の映像拡大装置において、前記照明光角度制御手段が、前記照明光の光束に対する多階調性遮光マスクを設けた。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項３から７のいずれか１項に記載の映像拡大装置において、前記照明光角度制御手段が、前記照明光の面均一性のために設けた２組のマルチレンズアレイとは別の２組のマルチレンズアレイを有する。
【００２５】
請求項９記載の発明は、請求項３から５のいずれか１項に記載の映像拡大装置において、前記照明光角度制御手段が、前記照明光の前記反射型空間光変調手段への最大入射角度が１０度以下である。
【発明の効果】
【００２６】
第１の本発明においては、色分解した後に、偏光分離素子に入射させているので、色分解により空間光変調器への照明光で生じる偏光解消を低減でき、色分解による映像光の解像度劣化を低減した高解像度の映像拡大装置を提供することができる。
【００２７】
第２の本発明においては、色分解に偏光分離素子を用い、偏光分離素子から照明光をそのまま空間光変調器へ入射させているので、色分解により空間光変調器への照明光で生じる偏光解消を低減でき、色分解による映像光の解像度劣化を低減し、かつより小型の高解像度の映像拡大装置を提供することができる。
【００２８】
第３の発明においては、画素プロファイル変形素子を設けているので、隣接画素の重なりを低減して高空間周波数でのＭＴＦを向上することができるので、より高解像度の映像拡大装置を提供することができる。
【００２９】
第４の発明においては、画素プロファイル変形素子を設けると同時に第２フライアイレンズに対して第１フライアイレンズとコンデンサレンズを共役位置にしているので、面内光強度の角度分布を向上しているので、画素縮小プロファイルの面内分布が均一にすることができる。
【００３０】
第５、６、７および８の発明においては、画素プロファイル変形素子を設けると同時に照明光角度分布を制御変形する光学素子を設けているので、照明光の角度分布を変形することができ、これにより同じ光学性能の画素プロファイル変形素子に対しても、画素プロファイルをさらに変形することができるようになり、高効率でより一層に高解像度の映像拡大装置を提供することができる。
【００３１】
第９の発明においては、画素プロファイル変形素子を設けると同時に照明光の最大入射角度を１０度としているので、画素プロファイル変形素子を透過した光が投射レンズの開口を透過する割合を高められるので、より高効率で高解像度の映像拡大装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、本発明による映像拡大装置の実施形態を、添付された図面を参照して具体的に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分は従来例とともに同じ符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３３】
図１は、本発明の第１の映像拡大装置の実施例であり、１０１は光源となる高圧水銀ランプと照明系の一部のリフレクタからなり、１０２は第１のフライアイレンズであり、１０３は第２のフライアイレンズであり、これはＰＢＳアレイからなる偏光変換素子を密着せしめており、１０９はコンデンサレンズであり、１１７はリレーレンズであり、１３１ｂ、ｇ、ｒはクリーナ偏光子であり、１１５ｂｇと１１５ｇはダイクロイックミラーでありそれぞれ、BとG光、およびG光を反射し、１３０ｒ、ｇ、ｂはそれぞれ偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、１１６はＡＬミラーであり、１１４はダイクロイックプリズムであり、１０５ｒ、ｇ、ｂはそれぞれ反射型空間光変調器となるＬＣＯＳであり、１２０の光軸シフト素子は、１１０と１１１が垂直方向および水平方向のそれぞれの光軸シフト素子であり、図示はしていないが１１０と１１１との間には偏光回転板があり、１０７は投射レンズであり、図示はしていないスクリーンに画像を拡大結像して映像を形成する。
【００３４】
図１において、光源からの無偏光光を照明光学系においてＳ偏光に偏光変換された後、ダイクロイックミラー１１５ｂｇ、１１５ｇによって色分解され、この後１３１ｂ、ｇ、ｒのクリーナ偏光子によって偏光度の高いＳ偏光の直線偏光にされた照明光は、それぞれＰＢＳ１３０ｒ、ｇ、ｂに入射して内部で反射されたのち、１０５ｒ、ｇ、ｂのＬＣＯＳに入射する。
【００３５】
投射装置用のＬＣＯＳは一般にはコントラスト重視のためにノーマリブラック（電圧無印加時に黒表示。電圧印加時に白表示）動作であり、黒表示のときはＳ偏光はＳ偏光で反射し、Ｐ偏光はＰ偏光で反射する。白表示のときは、Ｓ偏光はＰ偏光で反射し、Ｐ偏光はＳ偏光で反射する。このとき、反射されたＳ偏光の光はＰＢＳにより再度反射され投射レンズの方向に進行しないが、空間光変調器によりＰ偏光に変換された光は、ダイクロイックミラー１１４により色合成された後に、映像光となって投射レンズにより結像して、スクリーン上で白の画素となる。実際には、ＤＰで合成されているので、一つのＬＣＯＳの動作としての白表示は、ＲＧＢのどれかの色の単色表示となり、これらがすべて白表示した場合に、色としての白色の表示画像を投射することができる。
【００３６】
このとき、従来は、ＬＣＯＳに入射する前に、ダイクロイックプリズムに入射していたＳ偏光の偏光回転が生じていたので、ＬＣＯＳで黒表示の場合において、黒表示のＳ偏光に白表示のＰ偏光が混合しており光軸シフト素子を用いた映像拡大装置においては光軸シフトの動作に影響して解像度が低下したのに対して、図１では、ＰＢＳとＬＣＯＳとの間にダイクロイックプリズムが存在していないので、ＰＢＳ後の照明光の偏光度が保持されたまま照明光がＬＣＯＳに入射しており、ＬＣＯＳの黒表示の場合において、黒表示に白表示が混じることはなく、解像度を向上することができる。
【００３７】
さらに、従来の光軸シフト素子を用いた映像拡大装置の場合には、ＰＢＳによる偏光解消を波長板をＬＣＯＳ面上に配置してコントラストの低減を解消しているが、この効果がダイクロイックプリズムの偏光解消により、単なる直線偏光の場合と同様に低減されて、光軸シフト素子を用いた場合には解像度と低下となることが生じていたが、図１の構成によを用いた場合にも、同様に解像度の劣化を解消することができるようになる。
【００３８】
図２は、本発明の第２の映像拡大装置の実施例であり、１０１は光源となる高圧水銀ランプと照明系の一部のリフレクタからなり、１０２は第１のフライアイレンズであり、１０３は第２のフライアイレンズであり、これはＰＢＳアレイからなる偏光変換素子を密着せしめており、１０９はコンデンサレンズであり、１１６はリレーレンズであり、１３３はクリーナ偏光子であり、１つの１３２ｇと２つの１３２ｂは色選択波長板であり、それぞれ、ＧとＢ光のみに作用しここでは２分の１波長板を４５度に配置して９０度偏光回転素子としており、４つの１１２はそれぞれ偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、１１６はＡＬミラーであり、１０５ｒ、ｇ、ｂはそれぞれ反射型空間光変調器となるＬＣＯＳであり、１２０の光軸シフト素子は、１１０と１１１は垂直方向をよび水平方向のそれぞれの光軸シフト素子であり、図示はしていないが１1０と１１１との間には偏光回転板があり、１０７は投射レンズであり、図示はしていないスクリーンに画像を拡大結像して映像を形成する。
【００３９】
図２において、光源からの無偏光光を照明光学系においてＳ偏光に偏光変換された後、１３３のクリーナ偏光子によって偏光度の高いＳ偏光の直線偏光にされた照明光は、１３２ｇ、１３２ｂの色選択波長板とＰＢＳにより偏光特性を用いて色分離されて、１０５ｒ、ｇ、ｂのＬＣＯＳに入射する。このため、偏光分離素子としておＰＢＳとＬＣＯＳと間には偏光解消を生じるダイクロイックプリズムを設けていない。
【００４０】
従来は、ＬＣＯＳに入射する前に、ダイクロイックプリズムに入射していたＳ偏光の偏光回転が生じていたので、ＬＣＯＳで黒表示の場合において、黒表示のＳ偏光に白表示のＰ偏光が混合しており光軸シフト素子を用いた映像拡大装置においては光軸シフトの動作に影響して解像度が低下したのに対して、図２では、ＰＢＳ後の照明光の偏光度が保持されたまま照明光がＬＣＯＳに入射しており、ＬＣＯＳの黒表示の場合において、黒表示に白表示が混じることはなく、解像度を向上することができる。
【００４１】
図３は、第３の本発明の実施例であり、図４は図１および図２に用いることができるＬＣＯＳの液晶層付近の拡大断面図であり、３５は液晶対向透明基板であり、３６は透明基板に形成されたマイクロレンズであり、３３はカバーガラスであり、３４はカバーガラスと透明基板間の接着レンズであり、３１はシリコン基板であり図示はしていないが反射面を設けてあり、３２は液晶層である。
【００４２】
図３において、マイクロレンズは一つの画素に対応して設けてあり、図で左から入射した照明光は、マイクロレンズによりその光束を小さくされ、光強度分布が中央になる。３７、３８、３９はそれぞれ、マイクロレンズ入射直後、液晶面、そしてシリコン基板に反射された後のマイクロレンズ面での光強度分布を示す。右方向は光強度であり、上方向は相対座標である。
【００４３】
図１または図２の映像拡大装置に、図３の画素プロファイル変形素子を設けたＬＣＯＳを用いることにより、ダイクロイックプリズムに基づく隣接同士の光軸シフトされた画素のクロストークによる解像度劣化を低減できると同時に、隣接同士の光軸シフトされた画素の光強度プロファイルの重なりも低減することができるので、より一層に隣接した画素のクロス−クを低減することできるようになりＭＴＦが向上し、大きく解像度を向上することができるようになる。
【００４４】
画素プロファイル変形素子は、マイクロレンズを用いたものに限定されるわけではなく、マイクロレンズ、中間像面でのマイクロレンズ、画素開口等の構成でもよい。
【００４５】
図４は、第３の本発明の実施例であり、図４に、２つの１４１はコンデンサレンズであり、１１７はリレーレンズである。なお、他の構成要素は図１と同様である。図４において、コンデンサレンズは、第２フライアイレンズに対して第１フライアイレンズと共役な位置に設けられており、このコンデンサレンズの焦点距離はコンデンサレンズと第２フライアイレンズとの距離にほぼ等しい。また、コンデンサレンズとＬＯＣＳとの距離もこの距離にほぼ等しい。
【００４６】
図４において、コンデンサレンズの位置を、第２フライアイレンズに対して第１フライアイレンズと共役な位置に設けることにより、ＬＣＯＳ上での面内角度分布特性を向上する。本実施例では、コントラストおよび色むらの低減を目的としているのではなく、光軸シフトを用いた場合に、隣接の光軸シフトした画素の画素プロファイルが重なりを低減するために、画素プロファイル変形素子を用いる場合に、この画素プロファイル変形素子により変形された画素プロファイルは、照明光の角度特性の影響を受け、照明光角度分布が面内で不均一の場合には、画素プロファイルが面内で不均一となることを低減することにある。
【００４７】
この作用に関して、図５に模式図を示す。図４において、５×５のフライアイの場合の断面を示すものである。第１フライアイレンズ１０２の中央のレンズの像および最上部のレンズの像は、それぞれ対応した第２フライアイレンズ１０３のレンズにより全体の光軸方向を中心として所定の共役関係が成り立つ位置に拡大像を形成することができ、この位置に１４１のコンデンサレンズを配置したものであり、このコンデンサレンズは５×５の第１フライアイレンズ１０２の像を、ＬＣＯＳ１０５に照明光をコンデンスする。
【００４８】
このとき、図５に示すように、ＬＣＯＳの上部と下部において、同じ第２フライアイレンズ１０３からの光が同じ角度で入射することが可能であり、面内の照明光の角度分布特性を均一化することができる。これにより、画素プロファイル変形素子の画素プロファイルも面内で均一化され、面内の解像度の不均一さを低減することができる。
【００４９】
本発明は、フライアイレンズに限定されるものではなく、シリンドリカルレンズアレイおよびシリンドリカルレンズアレイを直交させたものにも適用することができる。さらに、投射レンズとしても、通常のレンズではなく、画素プロファイル変形素子により変形された画素が有している発散光角度分布特性をそのまま投射できる物体側にテレセントリックな投射レンズが好ましい。
【００５０】
図６は、第４の実施例であり、１５０は光源１００とリフレクタ１０１からる光源部と第１フライアイレンズ１０２との間に設けた開口マスクであり、正方形の開口が設けてあり、１５１および１５２の破線はリフレクタで形成されたほぼ平行の中間照明光の面内光強度分布である。図６において、水銀高圧ランプ１０１から放出された光は、その軸と垂直方向付近に放出光の光強度の角度分布のピークがあり、通常の放物面または楕円リフレクタの場合には、光軸方向のそのランプの軸を配置する。このとき、照明光の面内光強度分布は、１５１に断面として示すように中が抜けたドーナッツ的面積光強度分布である。この照明光の周辺光を開口フィルタ１５０によりカットすると、１５２に示すように面内光強度分布が、周辺部で急峻に落ちる光強度プロファイルと変形制御されて第１フライアイレンズ１０２に入射する。
【００５１】
このとき、第１フライアイレンズ１０２に入射する面内光強度が急峻に落ちることになり、図５および図６からわかるように、ある点から外側のフライアイレンズに入射する光強度が急峻に０に落ちることになり、これはＬＣＯＳ面への照明光の角度分布がある角度以上は急峻に落ちて０になることになる。このときのＬＣＯＳ面での照明光の角度分布は、フライアイレンズの数が十分に細かい場合には、第１フライアイレンズ１０２に入射する面内光強度分布にほぼ一致する。このため、ＬＣＯＳへの照明光角度の最大入射角度付近の分布を制御する光学素子であることがかる。
【００５２】
さらに、図７に画素変形プロファイル素子の模式図を示す。図７において、１６０は各画素に対応したマイクロレンズであり、１６１および１６２は最小および最大入射角のマイクロレンズ照明光を示し、１６３および１６４は、それぞれの照明角度の照明光の集光位置であり、１６５は変形された画素プロファイルである。
【００５３】
図７において、従来の図６の１５１にしめすように周辺がながらかな面内光強度分布に基づいたＬＯＣＳ面での照明光の角度光強度分布の場合には、画素プロファイルのエッジをシャープにするのが困難であったので、変形された画素プロファイルからのＬ＆Ｓの最大値と最小値との差があったとしても、視認性としての鮮鋭性が劣化する場合があったが、本実施例による図６の１５２の面内光強度分布に基づいたＬＯＣＳ面での照明光の角度光強度分布の場合には、画素プロファイルのエッジをシャープにすることができるようになるので、画像の鮮鋭性を向上し、結果として解像度を向上することができる。画素プロファイル変形素子のみで、同様の光学設計を行うことも、マイクロレンズ付近に小さな面積開口等を設けることにより可能であるが、この場合には光利用効率が大きく減少してしまう。
【００５４】
また、照明光角度分布を制御する手段は、第１フライアイレンズ１０２とランプとの間に設けることに限定されるわけではなく、また開口マスク形状に限定されるわけではない。第１フライアイレンズ１０２と第２フライアイレンズ１０３との間、第２フライアイレンズ１０３とコンデンサレンズとの間、コンデンサレンズとＬＣＯＳ面との間のいずれの位置に透過率面内分布を有した光学素子を設けてもよい。また、第１フライアイレンズ１０２、第２フライアイレンズ１０３およびコンデンサレンズと一体化して設けてもよい。さらに、透過率の角度依存素子を用いてもよいし、レンズ開口を用いてもよいし、リレー光学系を設けてリレー光学系内に角度分布の制御素子を設けてもよい。
【００５５】
また、画素プロファイルのエッジをシャープにするための照明光角度分布の制御に限定されるわけではなく、画素プロファイルの中央部の凹みを減少させたり、逆に自然画映像をより滑らかに見せるために、画素プロファイルのエッジをさらに緩やかにするために用いることもできる。
【００５６】
図８は、第５の実施例であり、１５５は、図６の１５０の代わりに設けた濃淡性マスクによる面内光強度分布制御素子であり、１５１に示すような形状のリフレクタで形成されたほぼ平行の中間照明光の面内光強度分布の照明光が、この１５５に入射した後、１５６に示すような形状の面内光強度分布の照明光に変換される。
【００５７】
図８において、照明光の面内光強度分布に含まれる破線１５４示す形状の面内光強度分布となるように濃淡性マスク特性を１５５が有している。これは、１５１の光強度と１５４の光強度の相対比となるような透過率の面積分布を有する濃淡性マスクであればよい。これにより、中間照明光の面内光強度分布の中央部のくぼみを大きく低減することができる。このため、ＬＣＯＳ面での角度光強度分布をより均一化することができ、さらには画素変形プロファイル素子をもちいたときの画素プロファイルの面積光強度分布を、画素の半値幅を縮小したときにも、より均一な中央部の凹みの少ない画像プロファイルとすることができるようになり、１画素内の輝度ばらつきを低減することができ視認性が向上する。
【００５８】
さらには、この濃淡性マスク特性を、画素変形プロファイルの透過率の角度特性と調整することにより、一層均一にすることもできる。
【００５９】
図９は、第６の実施例であり、１６１は第２フライアイレンズ１０３による第１フライアイレンズ１０２と共役な位置に設けた第３のフライアイレンズであり、１６２は第３のフライアイレンズ１６１を結像する第４のフライアイレンズであり、１６３は第４フライアイレンズによる第３ライアイレンズと共役な位置にもうけたコンデンサレンズであり、１０５ｇ、ｂは非照明体となるＬＣＯＳである。なお、他の構成要素は図１と同様である。
【００６０】
図９において、通常のＬＯＣＳ照明面に第３ライアイレンズを設けてされにホモジナイザすることにより、単にＬＣＯＳ面でのされるだけではなく、ＬＯＣＳ面への角度光分布を均一化できるようになるので、画素プロファイル変形素子を用いた場合に、変形された１画素の面内バラツキを低減できるようになる。さらには、同時に面内の角度分布バラツキも低減されているので、面内での画素プロファイルのバラツキも低減させるようになる。
【００６１】
図１０は、画素変形プロファイル素子の模式図であり、１７１ａ、１７１ｂは最小入射角度の０度の入射角の照明光の場合の、マイクロレンズ透過後の最大入射角の光線と最小入射角の光線であり、１９０は最大入射角度の１０度の入射角の照明光の場合の主光線であり、１８０はその光軸との角度であり、１８１ａ、１８１ｂは最小入射角度の１０の入射角の照明光の場合のマイクロレンズ透過後の最大入射角の光線と最小入射角の光線であり、これらの光線は図示はしていないがＬＣＯＳやＰＢＳによる作像により映像光となって、同じく図示はしていない投射レンズによってスクリーンに投射される。なお、図７と同様の他の構成はその説明を省略する。
【００６２】
画素プロファイル変形素子により画素プロファイルが変形されると同時に、その出射角度分布特性も変形される。光軸シフト素子を用いて高解像度化する場合には、隣接画素のクロストークを減少させることが目的であるので、その照明光の最大入射角度に対して、出射光の最大出射角度が増加する。図１０において、最大入射角１０度の光線は、主光線は１０度として出射して１０度内であるが、最小入射角度０度の光線に対しても、最大像高の場合には、１７１ａ、１７１ｂともに約１０度の角度で出射しており、さらに最大入射角度の場合には、１８１ａのように約２０度の角度で出射している場合も生じる。光軸シフト素子により一方向を２倍に高解像度化したい場合には、画素プロファイルの実効的な横倍率を約１／２にすることが好ましく、このため入射した照明光の角度に対して、２倍以上の出射角が放出されることになる。
【００６３】
一方、これらの出射光は投射レンズの開口を透過してスクリーンに結像することができるが、２０度より大きい開口すなわちＦナンバとなるＦ１．４を有する高解像度の投射レンズを作成することは困難である。このため、画素縮小素子を関係ないとした場合のＬＣＯＳへの照明光の最大入射角度を１０度、より好ましくは７度、さらにより好ましくは５度を最大照明角度とする照明光手段であることが好ましい。５度よりも最大照明角度が小さくなると、全体としての照明光の光利用効率が低下するので好ましくはない。
【００６４】
７度の場合には、Ｆ２．０の投射レンズを用いることができるようになるので、高解像度かつ反射型空間光変調器用の長バックフォーカスの投射レンズをより低コストに得ることができるようになり、映像拡大装置を安価に製造することができるようになる。
【００６５】
なお、上述する実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第一の実施例における映像拡大装置の構成図である。
【図２】本発明の第二の実施例における映像拡大装置の構成図である。
【図３】本発明の第三の実施例における映像拡大装置の構成図である。
【図４】本発明の第二、第三の実施例におけるＬＣＯＳの液晶層付近の拡大断面図である。
【図５】本発明の第二、第三の実施例におけるＬＣＯＳの液晶層付近の作用を示す模式図である。
【図６】本発明の第四の実施例を示す図である。
【図７】本発明の第四の実施例における画素変形プロファイル素子の模式図である。
【図８】本発明の第五の実施例を示す図である。
【図９】本発明の第六の実施例を示す図である。
【図１０】本発明の第六の実施例における画素変形プロファイル素子の模式図である。
【図１１】従来の映像拡大装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
３１    シリコン基板
３２    液晶層
３３    カバーガラス
３４    接着レンズ
３５    液晶対向透明基板
３６    マイクロレンズ
１０１    光源
１０２、１０３    フライアイレンズ
１０５ｂ、１０５ｇ、１０５ｒ    ＬＣＯＳ
１０７    投射レンズ
１１０、１１１、１２０    光軸シフト素子
１１２、１３０ｂ、１３０ｇ、１３０ｒ    偏光ビームスプリッタ
１１５ｂｇ、１１５ｇ    ダイクロイックミラー
１１６    ＡＬミラー
１１７    リレーレンズ
１３１ｂ、１３１ｇ、１３１ｒ    クリーナ偏光子
【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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