(57)【要約】【課題】  コストの上昇を伴わず、結像精度を向上するとともに高精度な変調を行うのに好適な光学系の光伝搬構造を提供する。【解決手段】  投射型表示装置１００は、光源１０と、透過率Ｔ１を独立に制御可能な複数の画素を有する輝度変調ライトバルブと、輝度変調ライトバルブからの光をＲＧＢ３原色の光に分離するダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂと、ダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂで分離した光をそれぞれ入射しかつ透過率Ｔ２を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の色変調ライトバルブと、各色変調ライトバルブからの光を合成するダイクロイックプリズム４８とを備え、輝度変調部１４と色変調部１８の光路上に、輝度変調ライトバルブの光学像を各色変調ライトバルブの画素面に結像するリレー光学系１６を設けた。【選択図】  図１
2005208573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される構造であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路上に、前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像するリレー光学系を設けたことを特徴とする光学系の光伝搬構造。
【請求項２】
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子と、前記各第２光変調素子からの光を合成する光合成手段とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路上に、前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像するリレー光学系を設けたことを特徴とする光学表示装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記リレー光学系は、両側テレセントリック性を有することを特徴とする光学表示装置。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記光分離手段から前記各第２光変調素子までの複数の光路のうち特定光路よりも光路長が大きい少なくとも１つの光路上に、前記第１光変調素子の光学像を当該光路に対応する前記第２光変調素子の画素面に結像する第２リレー光学系を設けたことを特徴とする光学表示装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記第２リレー光学系は、第１サブリレーレンズと、前記第１サブリレーレンズよりも前記第２光変調素子側に配置される第２サブリレーレンズと、前記第１サブリレーレンズおよび前記第２サブリレーレンズの間に配置されるフィールドレンズとを有し、
前記第１サブリレーレンズを介して前記フィールドレンズ上またはその近傍に結像される前記第１光変調素子の正立光学像が前記第２サブリレーレンズを介して前記第２光変調素子の画素面に倒立光学像として結像されるように、前記第１サブリレーレンズ、前記第２サブリレーレンズおよび前記フィールドレンズを配置したことを特徴とする光学表示装置。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかにおいて、
前記第１光変調素子および前記第２光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする光学表示装置。
【請求項７】
請求項２ないし６のいずれかにおいて、
前記光源と前記第１光変調素子との光路上に、前記光源からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化手段を設けたことを特徴とする光学表示装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記輝度分布均一化手段は、前記光源からの光を第１光変調素子の入射可能偏光方向に応じて偏光する偏光変換素子を有することを特徴とする光学表示装置。
【請求項９】
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される方法であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路において、リレー光学系を介して前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像することを特徴とする光学系の光伝搬方法。
【請求項１０】
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子と、前記各第２光変調素子からの光を合成する光合成手段とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する光学表示装置の表示方法であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路において、リレー光学系を介して前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像することを特徴とする光学表示装置の表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される構造および装置、並びに方法に係り、特に、コストの上昇を伴わず、結像精度を向上するとともに高精度な変調を行うのに好適な光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の光学表示装置における画質改善は目覚しく、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、たかだか１〜１０２［nit］程度にとどまり、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が１０−２〜１０４［nit］程度であり、また、輝度弁別能力は、０．２[nit]程度で、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通じて現在の光学表示装置の表示画像をみると、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表示画像のリアリティさ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コンピュータグラフィックス（以下、ＣＧと略記する。）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調数を表示データ（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。しかしながら、それを表示する光学表示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することができないという課題がある。
【０００４】
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輝度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光学表示装置の実現が望まれる。
光学表示装置のなかでも、液晶プロジェクタ、ＤＬＰプロジェクタといった投射型表示装置は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティさや迫力を再現する上で効果的な装置である。この分野では、上記の課題を解決するために、次のような提案がなされている。
【０００５】
高ダイナミックレンジの投射型表示装置としては、例えば、特許文献１に開示されている技術があり、光源と、光の全波長領域の輝度を変調する第１光変調素子と、光の波長領域のうちＲＧＢ３原色の各波長領域についてその波長領域の輝度を変調する第２光変調素子とを備え、光源からの光を第１光変調素子で変調して所望の輝度分布を形成し、その光学像を第２光変調素子の画素面に伝達して色変調し、２次変調した光を投射するというものがある。第１光変調素子および第２光変調素子の各画素は、ＨＤＲ表示データから決定される第１制御値および第２制御値に基づいてそれぞれ別個に制御される。光変調素子としては、透過率が独立に制御可能な画素構造また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変調素子が用いられる。その代表例としては、液晶ライトバルブが挙げられる。また、透過型変調素子の代わりに反射型変調素子を用いてもよく、その代表例としては、ＤＭＤ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。光変調素子単体では、輝度ダイナミックレンジは、６０／０．２＝３００となる。上記従来の投射型表示装置は、輝度ダイナミックレンジが３００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ので、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り、８ビットを超える階調数を得ることができる。
【０００７】
またその他に、高い輝度ダイナミックレンジを実現する投射型表示装置としては、例えば、特許文献２に開示されている表示装置が知られている。
特許文献２記載の発明は、光源と、第１光変調素子と、第１光変調素子からの光をＲＧＢ３原色の光に分離する光分離部と、光分離部で分離した光をそれぞれ入射する複数の第２光変調素子と、各第２光変調素子からの光を合成するクロスプリズムとを備え、第１光変調素子および各第２光変調素子を介して光源からの光を変調して画像を表示するようになっている。特許文献２記載の発明においては、第１光変調素子は照明光学系を構成する光学レンズによって第２光変調素子上に結像されるようになっている。
【特許文献１】特開平９−１１６８４０号公報
【特許文献２】特開２００１−１００６８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１記載の発明は、第１光変調素子と第２光変調素子の間に光分離部が設けられ、第１光変調素子と第２光変調素子が離れているにもかかわらず、その間にレンズ等の結像手段が一切ないため、第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の画素面に精度よく伝達するのが困難であるという問題があった。また、特許文献２記載の発明にあっては、照明光学系を構成するレンズやミラー等の光学部品に高精度のものを用いれば結像精度をある程度向上することもできるが、高精度な光学部品で構成するとコストの上昇を招くという問題があった。
【０００９】
図２１は、特許文献２記載の投射型表示装置における第１光変調素子および第２光変調素子の光路の構成を示す図である。なお、実際の光路上には、ミラー等の他の光学素子も配置されているが、以下に述べる説明を分かりやすくするため、図２１はこれらの光学素子を省略して描いてある。
図２１の光学系では、フライアイレンズ１１２ａ，１１２ｂを挟んで光源側に輝度変調用の第１光変調素子１３０を配置し、フライアイレンズ１１２ａ，１１２ｂを挟んで光源の反対側に色変調用の第２光変調素子１４０を配置している。この光学系では、第１光変調素子１３０から近いフライアイレンズ１１２ａを構成する各要素レンズに対応する範囲毎の第１光変調素子１３０の部分の光学像が第２光変調素子１４０の画素面に重なって結像されている。そのため、所望の輝度分布を得るためには、各要素レンズに対応する範囲ごとに、この輝度分布を形成しなければならない。ところで、フライアイレンズ１１２ａ，１１２ｂは、輝度分布を均一化する目的で使用される光学素子であり、その目的においては、要素レンズの数が多いことが望まれる。すると、必然的に各要素レンズのサイズは、第２光変調素子１４０の各画素サイズに比して小さいものとなる。具体的には、１／３〜１／５程度の大きさのものが用いられる。いま、第２光変調素子１４０の画素と第１光変調素子１３０の画素を１対１に対応させることを考えると、第１光変調素子１３０の画素密度は、第２光変調素子１４０の画素密度の３〜５倍必要になる。しかしながら、現在の光変調素子（例えば、液晶ライトバルブ）は、高精細化のために微細加工技術の上限に近い画素密度を有しており、その点を考慮すると、第１光変調素子１３０で３〜５倍の画素密度を実現しようとすることは困難である。したがって、第１光変調素子１３０で形成可能な輝度分布の精度は、第２光変調素子１４０の画素密度の３〜５倍粗いものとならざるを得ない。さらに、各要素レンズの光学像は、第１光変調素子１３０から遠いフライアイレンズ１１２ｂと集光レンズ１２ｄのたかだか２枚のレンズで第２光変調素子１４０の画素面に結像されるため、十分な収差補正ができず、かなりぼけの伴ったものとならざるを得ない。よって、従来の投射型表示装置にあっては、高精度な輝度調整を行うのが困難であるという問題もあった。
【００１０】
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、コストの上昇を伴わず、結像精度を向上するとともに高精度な変調を行うのに好適な光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
〔発明１〕  上記目的を達成するために、発明１の光学系の光伝搬構造は、
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される構造であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路上に、前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像するリレー光学系を設けたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成であれば、第１光変調素子により、光源からの光が１次変調され、光分離手段により、第１光変調素子からの光が複数の特定波長領域の光に分離され、分離された光がそれぞれ各第２光変調素子に入射される。このとき、第１光変調素子の光学像は、リレー光学系を介して各第２光変調素子の画素面に結像される。そして、各第２光変調素子により、光分離手段からの光がそれぞれ２次変調される。
【００１３】
これにより、第１光変調素子および第２光変調素子を介して光源からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができるという効果が得られる。また、リレー光学系を介して第１光変調素子の光学像を各第２光変調素子の画素面に結像するので、第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、第１光変調素子の画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができるという効果も得られる。
【００１４】
なお、リレー光学系は、透過型の光学素子（レンズなど）、及び反射型の光学素子（ミラーなど）のいずれか一方を用いて構成してもよく、双方を用いて構成してもよい。
また、リレー光学系は、両側テレセントリック性を有する構成とすることができる。この構成では、第２光変調素子の画素面上に結像される像の、明るさ、色味、コントラスト等の均一化が確実に図られ、画像表示品質が良好なものとなる。さらに、この構成では、第２光変調素子の光軸方向の配置位置に関する許容誤差範囲を比較的広く取ることが可能となり、設計や構成の簡素化、製造コストの低減化が図られる。
【００１５】
ここで、光伝搬特性とは、光の伝搬に影響を与える特性をいい、例えば、光の透過率、反射率、屈折率その他の伝搬特性が含まれる。以下、発明２の光学表示装置、発明９の光学系の光伝搬方法、および発明１０の光学表示装置の表示方法において同じである。
また、光源は、光を発生する媒体であればどのようなものを利用することもでき、例えば、ランプのような光学系に内蔵の光源であってもよいし、太陽や室内灯のような外界の光源であってもよい。以下、発明９の光学系の光伝搬方法において同じである。
【００１６】
また、特定波長領域は、ＲＧＢ３原色ごとに設定するに限らず、必要に応じて任意に設定することができる。ただし、ＲＧＢ３原色ごとに設定すれば、既存の液晶ライトバルブ等をそのまま利用することができ、コスト面で有利である。以下、発明２の光学表示装置、発明９の光学系の光伝搬方法、および発明１０の光学表示装置の表示方法において同じである。
【００１７】
〔発明２〕  一方、上記目的を達成するために、発明２の光学表示装置は、
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子と、前記各第２光変調素子からの光を合成する光合成手段とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路上に、前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像するリレー光学系を設けたことを特徴とする。
【００１８】
このような構成であれば、光学表示装置では、第１光変調素子により、光源からの光が１次変調され、光分離手段により、第１光変調素子からの光が複数の特定波長領域の光に分離され、分離された光がそれぞれ各第２光変調素子に入射される。このとき、第１光変調素子の光学像は、リレー光学系を介して各第２光変調素子の画素面に結像される。そして、各第２光変調素子により、光分離手段からの光がそれぞれ２次変調され、光合成手段により、各第２光変調素子からの光が合成されて画像が表示される。
【００１９】
これにより、第１光変調素子および第２光変調素子を介して光源からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができるという効果が得られる。また、リレー光学系を介して第１光変調素子の光学像を各第２光変調素子の画素面に結像するので、第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、第１光変調素子の画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができるという効果も得られる。なお、リレー光学系は、透過型の光学素子（レンズなど）、及び反射型の光学素子（ミラーなど）のいずれか一方を用いて構成してもよく、双方を用いて構成してもよい。
【００２０】
〔発明３〕  さらに、発明３の光学表示装置は、発明２の光学表示装置において、
前記リレー光学系は、両側テレセントリック性を有することを特徴とする。
このような構成であれば、第２光変調素子の画素面上に結像される像の、明るさ、色味、コントラスト等の均一化が確実に図られ、画像表示品質が良好なものとなる。
また、上記構成により、第２光変調素子の光軸方向の配置位置に関する許容誤差範囲を比較的広く取ることが可能となり、設計や構成の簡素化、製造コストの低減化が図られる。
【００２１】
〔発明４〕  さらに、発明４の光学表示装置は、発明２または発明３の光学表示装置において、
前記光分離手段から前記各第２光変調素子までの複数の光路のうち特定光路よりも光路長が大きい少なくとも１つの光路上に、前記第１光変調素子の光学像を当該光路に対応する前記第２光変調素子の画素面に結像する第２リレー光学系を設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、光分離手段から各第２光変調素子までの複数の光路のうち特定光路よりも光路長が大きい少なくとも１つの光路において、第２リレー光学系を介して第１光変調素子の光学像がその光路に対応する第２光変調素子の画素面に結像される。
【００２２】
これにより、光分離手段から各第２光変調素子までの光路長が異なる構造を採用しても、第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の画素面に比較的精度よく結像することができるという効果が得られる。
〔発明５〕  さらに、発明５の光学表示装置は、発明４の光学表示装置において、
前記第２リレー光学系は、第１サブリレーレンズと、前記第１サブリレーレンズよりも前記第２光変調素子側に配置される第２サブリレーレンズと、前記第１サブリレーレンズおよび前記第２サブリレーレンズの間に配置されるフィールドレンズとを有し、
前記第１サブリレーレンズを介して前記フィールドレンズ上またはその近傍に結像される前記第１光変調素子の正立光学像が前記第２サブリレーレンズを介して前記第２光変調素子の画素面に倒立光学像として結像されるように、前記第１サブリレーレンズ、前記第２サブリレーレンズおよび前記フィールドレンズを配置したことを特徴とする。
【００２３】
このような構成であれば、第１サブリレーレンズを介してフィールドレンズ上またはその近傍に結像される第１光変調素子の正立光学像が第２サブリレーレンズを介して第２光変調素子の画素面に倒立光学像として結像される。
これにより、第１光変調素子の光学像をほぼ同一の輝度分布で各第２光変調素子の画素面に結像することができるという効果が得られる。
【００２４】
〔発明６〕  さらに、発明６の光学表示装置は、発明２ないし５のいずれかの光学表示装置において、
前記第１光変調素子および前記第２光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする。
このような構成であれば、既存の光学部品を利用することができるので、コストの上昇をさらに抑えることができるという効果が得られる。
【００２５】
〔発明７〕  さらに、発明７の光学表示装置は、発明２ないし６のいずれかの光学表示装置において、
前記光源と前記第１光変調素子との光路上に、前記光源からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化手段を設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、輝度分布均一化手段により、光源からの光の輝度分布が均一化されて第１光変調素子に入射される。
【００２６】
これにより、輝度ムラが生じる可能性を低減することができるという効果が得られる。
〔発明８〕  さらに、発明８の光学表示装置は、発明７の光学表示装置において、
前記輝度分布均一化手段は、前記光源からの光を第１光変調素子の入射可能偏光方向に応じて偏光する偏光変換素子を有することを特徴とする。
このような構成であれば、偏光変換素子により、光源からの光が第１光変調素子の入射可能偏光方向に応じて偏光され、偏光された光が第１光変調素子に入射される。
【００２７】
これにより、光源からの光量の多くが第１光変調素子の変調対象となるので、表示画像の輝度を向上することができるという効果が得られる。
〔発明９〕  一方、上記目的を達成するために、発明９の光学系の光伝搬方法は、
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される方法であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路において、リレー光学系を介して前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像することを特徴とする。
【００２８】
これにより、発明１の光学系の光伝搬構造と同等の効果が得られる。
なお、リレー光学系は、透過型の光学素子（レンズなど）、及び反射型の光学素子（ミラーなど）のいずれか一方を用いて構成してもよく、双方を用いて構成してもよい。
また、リレー光学系は、両側テレセントリック性を有する構成とすることができる。この構成では、第２光変調素子の画素面上に結像される像の、明るさ、色味、コントラスト等の均一化が確実に図られ、画像表示品質が良好なものとなる。さらに、この構成では、第２光変調素子の光軸方向の配置位置に関する許容誤差範囲を比較的広く取ることが可能となり、設計や構成の簡素化、製造コストの低減化が図られる。
【００２９】
〔発明１０〕  一方、上記目的を達成するために、発明１０の光学表示装置の表示方法は、
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射しかつ光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の第２光変調素子と、前記各第２光変調素子からの光を合成する光合成手段とを備え、前記第１光変調素子および前記各第２光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する光学表示装置の表示方法であって、
前記第１光変調素子と前記光分離手段の光路において、リレー光学系を介して前記第１光変調素子の光学像を前記各第２光変調素子の画素面に結像することを特徴とする。
【００３０】
これにより、発明２の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明１１〕  さらに、発明１１の光学表示装置の表示方法は、発明１０の光学表示装置の表示方法において、
前記光分離手段から前記各第２光変調素子までの複数の光路のうち特定光路よりも光路長が大きい少なくとも１つの光路において、第２リレー光学系を介して前記第１光変調素子の光学像を当該光路に対応する前記第２光変調素子の画素面に結像することを特徴とする。
【００３１】
これにより、発明４の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明１２〕  さらに、発明１２の光学表示装置の表示方法は、発明１１の光学表示装置の表示方法において、
前記第２リレー光学系は、第１サブリレーレンズと、前記第１サブリレーレンズよりも前記第２光変調素子側に配置される第２サブリレーレンズと、前記第１サブリレーレンズおよび前記第２サブリレーレンズの間に配置されるフィールドレンズとを有し、
前記第１サブリレーレンズを介して前記フィールドレンズ上またはその近傍に結像される前記第１光変調素子の正立光学像を、前記第２サブリレーレンズを介して前記第２光変調素子の画素面に倒立光学像として結像することを特徴とする。
【００３２】
これにより、発明５の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明１３〕  さらに、発明１３の光学表示装置の表示方法は、発明９ないし１２のいずれかの光学表示装置の表示方法において、
前記第１光変調素子および前記第２光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする。
【００３３】
これにより、発明５の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明１４〕  さらに、発明１４の光学表示装置の表示方法は、発明９ないし１３のいずれかの光学表示装置の表示方法において、
前記光源と前記第１光変調素子との光路において、輝度分布均一化手段を介して前記光源からの光の輝度分布を均一化することを特徴とする。
【００３４】
これにより、発明６の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明１５〕  さらに、発明１５の光学表示装置の表示方法は、発明１４の光学表示装置の表示方法において、
前記光源と前記第１光変調素子との光路において、偏光変換素子を介して前記光源からの光を第１光変調素子の入射可能偏光方向に応じて偏光することを特徴とする。
【００３５】
これにより、発明８の光学表示装置と同等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図１４は、本発明に係る光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、本発明に係る光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法を、図１に示すように、投射型表示装置１００に適用したものである。
【００３７】
まず、投射型表示装置１００の構成を図１を参照しながら説明する。
図１は、投射型表示装置１００のハードウェア構成を示すブロック図である。
投射型表示装置１００は、図１に示すように、光源１０と、光源１０から入射した光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化部１２と、輝度分布均一化部１２から入射した光の全波長領域の輝度を変調する輝度変調部１４と、輝度変調部１４から入射した光をリレーするリレーレンズ１６と、リレーレンズ１６から入射した光の波長領域のうちＲＧＢ３原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部１８と、色変調部１８から入射した光をスクリーン（不図示）に投射する投射部２０とで構成されている。
【００３８】
光源１０は、高圧水銀ランプ等のランプ１０ａと、ランプ１０ａからの出射光を反射するリフレクタ１０ｂとで構成されている。
輝度変調部１４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列した液晶ライトバルブ３０と、フィールドレンズ３２ａと、集光レンズ３２ｂとで構成されている。そして、輝度分布均一化部１２からの光をフィールドレンズ３２ａを介して入射し、入射した光の全波長領域の輝度を液晶ライトバルブ３０により変調し、変調した光を集光レンズ３２ｂにより集光してリレーレンズ１６に出射する。リレーレンズ１６は、液晶ライトバルブ３０の光学像を後述するダイクロイックミラー、フィールドレンズ、リレーレンズ等を介して液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ上に結像する。
【００３９】
色変調部１８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列しかつ液晶ライトバルブ３０よりも高い解像度を有する３枚の液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂと、５枚のフィールドレンズ４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂ１〜４２Ｂ３と、２枚のダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂと、３枚のミラー４６ａ，４６ｂ，４６ｃと、ダイクロイックプリズム４８と、それぞれ複数のレンズからなる２対のサブリレーレンズ５０ａ，５０ｂとで構成されている。まず、リレーレンズ１６からの光をダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂにより赤色、緑色および青色のＲＧＢ３原色に分光するとともに、フィールドレンズ４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂ１〜４２Ｂ３およびミラー４６ａ〜４６ｃを介して液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂに入射する。そして、分光したＲＧＢ３原色の光の輝度を各液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂにより変調し、変調したＲＧＢ３原色の光をダイクロイックプリズム４８により合成して投射部２０に出射する。
【００４０】
ここで、リレーレンズ１６によって形成される液晶ライトバルブ３０の光学像は、液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ上に倒立光学像として結像するが、液晶ライトバルブ４０Ｂへの光路は、液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇへの光路よりも光路長が大きいので、この光路では倒立光学像として点線位置に結像される。そこで、ダイクロイックミラー４２ｂから液晶ライトバルブ４０Ｂまでの光路においては、フィールドレンズ４２Ｂ１、サブリレーレンズ５０ａを介して図１の点線位置に形成された液晶ライトバルブ３０の倒立光学像をフィールドレンズ４２Ｂ２上またはその近傍に正立光学像として結像し、さらに、サブリレーレンズ５０ｂを介してその正立光学像を液晶ライトバルブ４０Ｂの画素面に倒立光学像として結像する。
【００４１】
液晶ライトバルブ３０，４０Ｒ〜４０Ｂ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素子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ガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にＴＮ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ックス型の液晶表示素子である。液晶ライトバルブ３０，４０Ｒ〜４０Ｂは、電圧印加状態で白／明（透過）状態、電圧非印加状態で黒／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、与えられた制御値に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。
【００４２】
輝度分布均一化部１２は、２枚のフライアイレンズ１２ａ，１２ｂと、偏光変換素子１２ｃと、集光レンズ１２ｄとで構成されている。そして、光源１０からの光の輝度分布をフライアイレンズ１２ａ，１２ｂにより均一化し、均一化した光を偏光変換素子１２ｃにより液晶ライトバルブ３０の入射可能偏光方向に偏光し、偏光した光を集光レンズ１２ｄにより集光して輝度変調部１４に出射する。
【００４３】
偏光変換素子１２ｃは、例えば、ＰＢＳアレイと、１／２波長板とで構成されている。１／２波長板は、入射直線偏光をそれと直交する直線偏光に変換し、出射する。
【００４４】
図２は、リレーレンズ１６の構成を示す図である。
リレーレンズ１６は、液晶ライトバルブ３０の光学像を各液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂの画素面に結像するものであって、図２に示すように、開口絞りに対してほぼ対称に配置された前段レンズ群および後段レンズ群からなる等倍結像レンズである。前段レンズ群および後段レンズ群は、複数の凸レンズと、１枚の凹レンズとで構成されている。ただし、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り、図２の例に限定されるものではない。なお、リレーレンズ１６を両側テレセントリックに構成する場合は、集光レンズ３２ｂ、フィールドレンズ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ３を省略することが可能である。また、図２のレンズ構成は、サブリレーレンズ５０ａ，５０ｂの構成にも同様に適用することができる。
【００４５】
図３は、リレーレンズ１６の動作原理を示す図である。
リレーレンズ１６は、図３に示すように、典型的には等倍結像のものが用いられるので、液晶ライトバルブ３０および液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂの画素密度を同一としても、液晶ライトバルブ３０の画素と液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂの画素を１対１に対応させることができる。また、リレーレンズ１６は、多数枚のレンズから構成されるので、収差補正が良く、液晶ライトバルブ３０で形成される輝度分布を正確に液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂに伝達することができる。
【００４６】
図４及び図５は、テレセントリック性の説明図であり、図４（ａ）、図５（ａ）は両側テレセントリック性を有するリレーレンズを示し、図４（ｂ）、図５（ｂ）は一般的なリレーレンズを示している。
【００４７】
テレセントリックレンズとは、図４（ａ）に示すように、太い実線で示す主光線が物体側（前段ライトバルブ側）空間もしくは像側（後段ライトバルブ側）空間において光軸に対して平行なレンズであり、物体側（前段ライトバルブ側）及び像側（後段ライトバルブ側）のいずれの側にもテレセントリックなものを両側テレセントリックレンズという。両側テレセントリック性を有するリレーレンズでは、前段ライトバルブ（本例では液晶ライトバルブ）から出射する主光線は前段ライトバルブのいずれの部位からもほぼ垂直に出射し、後段ライトバルブ（本例では液晶ライトバルブ）にほぼ垂直に入射する。したがって、前段ライトバルブの光軸から遠い位置（Ａ）から出射する光束の出射角度分布と、光軸から近い位置（Ｂ）から出射する光束の出射角度分布とを比較した場合、それらはほぼ等しい。
【００４８】
一方、図４（ｂ）に示すように、一般的なリレーレンズでは、太い実線で示す主光線は、前段ライトバルブの出射位置によって出射角度が異なり、後段ライトバルブへの入射角も入射位置によって異なる。したがって、前段ライトバルブの光軸から遠い位置（Ａ）から出射する光束の出射角度分布と、光軸から近い位置（Ｂ）から出射する光束の出射角度分布とを比較した場合、それらはかなり異なる。
【００４９】
ところで、一般に、液晶ライトバルブは視角依存性を有する。すなわち、液晶ライトバルブから出射する光線の角度によって、コントラスト特性、明るさの特性、分光特性等が異なる。したがって、図４（ｂ）に示す一般的なリレーレンズでは、前段ライトバルブ（液晶ライトバルブ）の領域ごとに出射光束の出射角度成分が異なり、その結果、後段ライトバルブ（液晶ライトバルブ）の画面内で、表示画像の明るさ、色味、コントラストに分布（不均一性）が生じ、プロジェクタの画像表示品質の低下を招く可能性がある。
【００５０】
これに対して、図４（ａ）に示す両側テレセントリック性を有するリレーレンズでは、前段ライトバルブ（液晶ライトバルブ）のどの領域の出射光束もほぼ同じ出射角度分布であるため、後段ライトバルブ（液晶ライトバルブ）の画面内における表示画像の明るさ、色味、コントラストが略均一であり、プロジェクタの画像表示品質が良好である。
【００５１】
さらに、図５（ａ）に示すように、両側テレセントリック性を有するリレーレンズでは、後段ライトバルブの光軸方向の配置位置に誤差が生じても（図５（ａ）に示す、ＰＳ１→ＰＳ２）、主光線が光軸に対して平行なので、前段ライトバルブの像は多少ボケが生じるものの大きさはほとんど変わらない（図５（ａ）に示す、ＡＬ１≒ＡＬ２）。すなわち、後段ライトバルブの配置誤差が多少あっても、プロジェクタとしての画像表示品質はあまり低下しないので、製造マージンが大きい。
【００５２】
一方、図５（ｂ）に示すように、一般的なリレーレンズでは、後段ライトバルブに上記と同等の配置誤差があった場合（図５（ｂ）に示す、ＰＳ１→ＰＳ２）、主光線が光軸に対して非平行なので、前段ライトバルブの像にボケと同時に大きさの変化が生じ（図５（ｂ）に示す、ＡＬ１＜ＡＬ２）、結果として画像表示品質が大きく低下する可能性がある。
【００５３】
図１に戻り、投射型表示装置１００は、液晶ライトバルブ３０および液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂを制御する表示制御装置２００（不図示）を有している。以下、液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂを色変調ライトバルブと総称し、色変調ライトバルブと区別するため、液晶ライトバルブ３０を輝度変調ライトバルブという。また、本実施の形態では、色変調ライトバルブが表示解像度（投射型表示装置１００の表示画像を観測者が見たときに観測者が知覚する解像度をいう。）を決定する。
【００５４】
次に、表示制御装置２００の構成を図６ないし図１０を参照しながら詳細に説明する。
図６は、表示制御装置２００のハードウェア構成を示すブロック図である。
表示制御装置２００は、図６に示すように、制御プログラムに基づいて演算およびシステム全体を制御するＣＰＵ７０と、所定領域にあらかじめＣＰＵ７０の制御プログラム等を格納しているＲＯＭ７２と、ＲＯＭ７２等から読み出したデータやＣＰＵ７０の演算過程で必要な演算結果を格納するためのＲＡＭ７４と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するＩ／Ｆ７８とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス７９で相互にかつデータ授受可能に接続されている。
【００５５】
Ｉ／Ｆ７８には、外部装置として、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブを駆動するライトバルブ駆動装置８０と、データやテーブル等をファイルとして格納する記憶装置８２と、外部のネットワーク１９９に接続するための信号線とが接続されている。
記憶装置８２は、ＨＤＲ表示データを記憶している。
ＨＤＲ表示データは、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することができる画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素値を画像の全画素について格納している。現在は、特にＣＧの世界において、ＣＧオブジェクトを実際の風景に合成するために用いられている。画像形式としては様々なものが存在するが、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットよりも高い輝度ダイナミックレンジを実現するために浮動小数点形式で画素値を格納する形式が多い。また、格納する値としては、人間の視覚特性を考慮しない物理的な放射輝度（Radiance＝Ｗ／（ｓｒ・ｍ２））や、人間の視覚特性を考慮した輝度（luminance＝ｃｄ／ｍ２）に関する値であるという点も特徴である。本実施の形態では、ＨＤＲ表示データとして、１つの画素についてＲＧＢ３原色ごとに放射輝度レベルを示す画素値を浮動小数点値として格納した形式を用いる。例えば、１つの画素の画素値として（１．２，５．４，２．３）という値が格納されている。
【００５６】
ＨＤＲ表示データは、高い輝度ダイナミックレンジのＨＤＲ画像を撮影し、撮影したＨＤＲ画像に基づいて生成する。しかしながら、現在のフィルムカメラおよびデジタルスチルカメラでは、自然界における高い輝度ダイナミックレンジのＨＤＲ画像を一度に撮影することはできない。そこで、何らかの方法で露出を変化させた複数の撮影画像から１枚のＨＤＲ画像を生成する。なお、ＨＤＲ表示データの生成方法の詳細については、例えば、公知文献１「P.E.Debevec, J.Malik, "Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs", Proceedings of ACM SIGGRAPH97 , pp.367-378 (1997)」に掲載されている。
【００５７】
ＨＤＲ表示データにおける画素ｐの輝度レベルをＲｐ、輝度変調ライトバルブの画素ｐに対応する画素の透過率をＴ１、色変調ライトバルブの画素ｐに対応する画素の透過率をＴ２とすると、下式（１），（２）が成立する。
Ｒｐ  ＝  Ｔｐ×Ｒｓ                                                  …（１）
Ｔｐ  ＝  Ｔ１×Ｔ２×Ｇ                                              …（２）
ただし、上式（１），（２）において、Ｒｓは光源１０の輝度、Ｇはゲインであり、いずれも定数である。また、Ｔｐは、光変調率である。
【００５８】
上式（１），（２）から、画素ｐについてＴ１およびＴ２の組み合わせが無数に存在することが分かる。しかしながら、Ｔ１およびＴ２を任意に決定してよいわけではない。決定の仕方によっては画質が劣化することがあるので、Ｔ１およびＴ２は、画質を考慮して適切に決定する必要がある。
輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合、輝度変調ライトバルブの１つの画素ｐ１について画素ｐ１が色変調ライトバルブの複数の画素にまたがって結像されたり、また逆に、色変調ライトバルブの１つの画素ｐ２について画素ｐ２上に輝度変調ライトバルブの複数の画素が重なって結像されたりする。ここで、輝度変調ライトバルブの画素ｐ１について透過率Ｔ１を算出する場合、色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率Ｔ２が決定されていれば、それら透過率Ｔ２の平均値等を算出し、算出した平均値等を色変調ライトバルブの画素ｐ１に対応する画素の透過率Ｔ２と見立てて、上式（１），（２）により透過率Ｔ１を算出することが考えられる。しかしながら、あくまで平均値等を色変調ライトバルブの透過率Ｔ２と見立てているので、そこにはどうしても誤差が生じる。この誤差は、輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１の方を先に決定する場合でも、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２の方を先に決定する場合でも、決定順序にかかわらず発生するが、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブのうち表示解像度を決定するものについては、視覚的な影響力が大きいので誤差を極力小さくした方がよい。
【００５９】
そこで、決定順序の違いで誤差の大きさがどのように変化するかを検討してみる。まず、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２の方を先に決定することを考える。輝度変調ライトバルブの画素ｐ１の透過率Ｔ１は、色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率Ｔ２の平均値等を算出し、算出した平均値等およびＨＤＲ表示データに基づいて上式（１），（２）により算出することができる。その結果、輝度変調ライトバルブの画素ｐ１からみれば、その透過率Ｔ１は、色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率Ｔ２に対して誤差が生じるものの、誤差の度合いは、平均値等の統計的演算により生じる誤差程度である。これに対し、色変調ライトバルブの画素ｐ２からみれば、その透過率Ｔ２は、輝度変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率Ｔ１の平均値等を算出しても、その平均値等に対して上式（１），（２）を満たさないほど大きな誤差が生じることがある。これは、画素ｐ１を基準として色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素との関係（上式（１），（２）を満たす関係）を規定しても、その逆の関係が必ずしも成立しないことに起因するものと考えられる。したがって、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２の誤差の方が大きくなる可能性が高い。
【００６０】
逆の場合も同様であり、輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１の方を先に決定する場合は、輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１の誤差の方が大きくなる可能性が高い。
以上のことから、画質を向上する観点からは、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブのうち表示解像度を決定するものの透過率の方を後に決定する方が誤差の影響が少なくてよいという結論が得られる。本実施の形態では、色変調ライトバルブが表示解像度を決定するので、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２の方を後に決定する。
【００６１】
また、記憶装置８２は、輝度変調ライトバルブの制御値を登録した制御値登録テーブル４００を記憶している。
図７は、制御値登録テーブル４００のデータ構造を示す図である。
制御値登録テーブル４００には、図７に示すように、輝度変調ライトバルブの各制御値ごとに１つのレコードが登録されている。各レコードは、輝度変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、輝度変調ライトバルブの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
【００６２】
図７の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００３」がそれぞれ登録されている。これは、輝度変調ライトバルブに対して制御値「０」を出力すると、輝度変調ライトバルブの透過率が０．３％となることを示している。なお、図７は、輝度変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には、輝度変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。
【００６３】
また、記憶装置８２は、各色変調ライトバルブごとに、その色変調ライトバルブの制御値を登録した制御値登録テーブル４２０Ｒ，４２０Ｇ，４２０Ｂを記憶している。
図８は、制御値登録テーブル４２０Ｒのデータ構造を示す図である。
制御値登録テーブル４２０Ｒには、図８に示すように、液晶ライトバルブ４０Ｒの各制御値ごとに１つのレコードが登録されている。各レコードは、液晶ライトバルブ４０Ｒの制御値を登録したフィールドと、液晶ライトバルブ４０Ｒの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
【００６４】
図８の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００４」がそれぞれ登録されている。これは、液晶ライトバルブ４０Ｒに対して制御値「０」を出力すると、液晶ライトバルブ４０Ｒの透過率が０．４％となることを示している。なお、図８は、色変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には、色変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。
【００６５】
また、制御値登録テーブル４２０Ｇ，４２０Ｂのデータ構造については特に図示しないが、制御値登録テーブル４２０Ｒと同様のデータ構造を有している。ただし、制御値登録テーブル４２０Ｒと異なるのは、同一の制御値に対応する透過率が異なる点である。
次に、ＣＰＵ７０の構成およびＣＰＵ７０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ７０は、マイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ）等からなり、ＲＯＭ７２の所定領域に格納されている所定のプログラムを起動させ、そのプログラムに従って、図９のフローチャートに示す表示制御処理を実行するようになっている。
【００６６】
図９は、表示制御処理を示すフローチャートである。
表示制御処理は、ＨＤＲ表示データに基づいて輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブの制御値をそれぞれ決定し、決定した制御値に基づいて輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブを駆動する処理であって、ＣＰＵ７０において実行されると、図９に示すように、まず、ステップＳ１００に移行するようになっている。
【００６７】
ステップＳ１００では、ＨＤＲ表示データを記憶装置８２から読み出す。
次いで、ステップＳ１０２に移行して、読み出したＨＤＲ表示データを解析し、画素値のヒストグラムや、輝度レベルの最大値、最小値および平均値等を算出する。この解析結果は、暗めのシーンを明るくしたり、明るすぎるシーンを暗くしたり、中間部コントラストを協調するなどの自動画像補正に使用したり、トーンマッピングに使用したりするためである。
【００６８】
次いで、ステップＳ１０４に移行して、ステップＳ１０２の解析結果に基づいて、ＨＤＲ表示データの輝度レベルを投射型表示装置１００の輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングする。
図１０は、トーンマッピング処理を説明するための図である。
ＨＤＲ表示データを解析した結果、ＨＤＲ表示データに含まれる輝度レベルの最小値がＳｍｉｎで、最大値がＳｍａｘであるとする。また、投射型表示装置１００の輝度ダイナミックレンジの最小値がＤｍｉｎで、最大値がＤｍａｘであるとする。図１０の例では、ＳｍｉｎがＤｍｉｎよりも小さく、ＳｍａｘがＤｍａｘよりも大きいので、このままでは、ＨＤＲ表示データを適切に表示することができない。そこで、Ｓｍｉｎ〜ＳｍａｘのヒストグラムがＤｍｉｎ〜Ｄｍａｘのレンジに収まるように正規化する。
【００６９】
なお、トーンマッピングの詳細については、例えば、公知文献２「F.Drago, K.Myszkowski, T.Annen, N.Chiba, "Adaptive Logarithmic Mapping For Displaying High Contrast Scenes", Eurographics 2003, (2003)」に掲載されている。
次いで、ステップＳ１０６に移行して、色変調ライトバルブの解像度に合わせてＨＤＲ画像をリサイズ（拡大または縮小）する。このとき、ＨＤＲ画像のアスペクト比を保持したままＨＤＲ画像をリサイズする。リサイズ方法としては、例えば、平均値法、中間値法、ニアレストネイバー法（最近傍法）が挙げられる。
【００７０】
次いで、ステップＳ１０８に移行して、リサイズ画像の各画素の輝度レベルＲｐおよび光源１０の輝度Ｒｓに基づいて、上式（１）により、リサイズ画像の各画素ごとに光変調率Ｔｐを算出する。
次いで、ステップＳ１１０に移行して、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２として初期値（例えば、０．２）を与え、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を仮決定する。
【００７１】
次いで、ステップＳ１１２に移行して、算出した光変調率Ｔｐ、仮決定した透過率Ｔ２およびゲインＧに基づいて、上式（２）により、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’を算出する。ここで、色変調ライトバルブが３枚の液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂから構成されていることから、同一の画素についてＲＧＢ３原色ごとに透過率Ｔ１’が算出される。これに対し、輝度変調ライトバルブが１枚の液晶ライトバルブ３０から構成されていることから、それらの平均値等をその画素のＴ１’として算出する。
【００７２】
次いで、ステップＳ１１４に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素について算出した透過率Ｔ１’の重み付け平均値をその画素の透過率Ｔ１として算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。
次いで、ステップＳ１１６に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出した透過率Ｔ１に対応する制御値を制御値登録テーブル４００から読み出し、読み出した制御値をその画素の制御値として決定する。制御値の読出では、算出した透過率Ｔ１に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４００のなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。この検索は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
【００７３】
次いで、ステップＳ１１８に移行して、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率Ｔ１の重み付け平均値を算出し、算出した平均値、ステップＳ１０８で算出した光変調率ＴｐおよびゲインＧに基づいて、上式（２）により、その画素の透過率Ｔ２を算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。
【００７４】
次いで、ステップＳ１２０に移行して、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出した透過率Ｔ２に対応する制御値を制御値登録テーブル４２０Ｒ〜４２０Ｂから読み出し、読み出した制御値をその画素の制御値として決定する。制御値の読出では、算出した透過率Ｔ２に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４２０Ｒ〜４２０Ｂのなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。この検索は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
【００７５】
次いで、ステップＳ１２２に移行して、ステップＳ１１６，Ｓ１２０で決定した制御値をライトバルブ駆動装置８０に出力し、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブをそれぞれ駆動して表示画像を投影し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
次に、本実施の形態の動作を図１１ないし図１４を参照しながら説明する。
以下では、色変調ライトバルブはいずれも、横１８画素×縦１２画素の解像度および４ビットの階調数を有し、輝度変調ライトバルブは、横１５画素×縦１０画素の解像度および４ビットの階調数を有する場合を例にとって説明を行う。
【００７６】
表示制御装置２００では、ステップＳ１００〜Ｓ１０４を経て、ＨＤＲ表示データが読み出され、読み出されたＨＤＲ表示データが解析され、その解析結果に基づいて、ＨＤＲ表示データの輝度レベルが投射型表示装置１００の輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングされる。次いで、ステップＳ１０６を経て、色変調ライトバルブの解像度に合わせてＨＤＲ画像がリサイズされる。
【００７７】
次いで、ステップＳ１０８を経て、リサイズ画像の各画素ごとに光変調率Ｔｐが算出される。例えば、リサイズ画像における画素ｐの光変調率Ｔｐは、画素ｐの輝度レベルＲｐ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（１．２，５．４，２．３）、光源１０の輝度Ｒｓ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（10000，10000，10000）であるとすると、（１．２，５．４，２．３）／（10000，10000，10000）＝（0.00012，0.00054，0.00023）となる。
【００７８】
図１１は、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２を仮決定する場合を示す図である。
次いで、ステップＳ１１０を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が仮決定される。色変調ライトバルブの左上４区画の画素をｐ２１（左上）、ｐ２２（右上）、ｐ２３（左下）、ｐ２４（右下）とした場合、画素ｐ２１〜ｐ２４の透過率Ｔ２には、図１１に示すように、初期値Ｔ２０が与えられる。
【００７９】
図１２は、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’を算出する場合を示す図である。
次いで、ステップＳ１１２を経て、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’が算出される。画素ｐ２１〜ｐ２４に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１１〜Ｔ１４は、図１２に示すように、画素ｐ２１〜ｐ２４の光変調率をＴｐ１〜Ｔｐ４、ゲインＧを「１」とすると、下式（３）〜（６）により算出することができる。
【００８０】
実際に数値を用いて計算する。Ｔｐ１＝0.00012、Ｔｐ２＝0.05、Ｔｐ３＝0.02、Ｔｐ４＝0.01、Ｔ２０＝0.1である場合は、下式（３）〜（６）によりＴ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.1となる。
Ｔ１１  ＝  Ｔｐ１／Ｔ２０                                            …（３）
Ｔ１２  ＝  Ｔｐ２／Ｔ２０                                            …（４）
Ｔ１３  ＝  Ｔｐ３／Ｔ２０                                            …（５）
Ｔ１４  ＝  Ｔｐ４／Ｔ２０                                            …（６）
図１３は、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を決定する場合を示す図である。
【００８１】
次いで、ステップＳ１１４を経て、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１が決定される。色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブはリレーレンズ１６によって互いに倒立結像する関係にあるので、色変調パネルの左上４区画の画素は輝度変調ライトバルブの右下部に結像される。輝度変調ライトバルブの右下４区画の画素をｐ１１（右下）、ｐ１２（左下）、ｐ１３（右上）、ｐ１４（左上）とした場合、画素ｐ１１は、図１３（ａ）に示すように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブの解像度が異なることから、画素ｐ２１〜画素ｐ２４と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、画素ｐ１１は、その最小公倍数から６×６の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ１１と画素ｐ２１〜ｐ２４との重なり合う面積比は、図１３（ｂ）に示すように、２５：５：５：１となる。したがって、画素ｐ１１の透過率Ｔ１５は、図１３（ｃ）に示すように、下式（７）により算出することができる。
【００８２】
実際に数値を用いて計算する。Ｔ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.002である場合は、下式（７）によりＴ１５＝0.1008となる。
Ｔ１５＝（Ｔ１１×２５＋Ｔ１２×５＋Ｔ１３×５＋Ｔ１４×１）／３６  …（７）
画素ｐ１２〜ｐ１４の透過率Ｔ１６〜Ｔ１８についても、画素ｐ１１と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
【００８３】
次いで、ステップＳ１１６を経て、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ１に対応する制御値が制御値登録テーブル４００から読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、Ｔ１５＝0.1008であるので、制御値登録テーブル４００を参照すると、図７に示すように、0.09が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４００からは、画素ｐ１１の制御値として「８」が読み出される。
【００８４】
図１４は、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を決定する場合を示す図である。
次いで、ステップＳ１１８を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が決定される。画素ｐ２４は、図１４（ａ）に示すように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブの解像度が異なることから、画素ｐ１１〜画素ｐ１４と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、画素ｐ２４は、その最小公倍数から５×５の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ２４と画素ｐ１１〜ｐ１４との重なり合う面積比は、図１４（ｂ）に示すように、１：４：４：１６となる。したがって、画素ｐ２４に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１９は、下式（８）により算出することができる。そして、画素ｐ２４の透過率Ｔ２４は、ゲインＧを「１」とすると、図１４（ｃ）に示すように、下式（９）により算出することができる。
【００８５】
実際に数値を用いて計算する。Ｔ１５＝0.09、Ｔ１６＝0.33、Ｔ１７＝0.15、Ｔ１８＝0.06、Ｔｐ４＝0.01である場合は、下式（８），（９）によりＴ１９＝0.1188、Ｔ２４＝0.0842となる。
Ｔ１９＝（Ｔ１５×１＋Ｔ１６×４＋Ｔ１７×４＋Ｔ１８×１６）／２５    …（８）
Ｔ２４＝Ｔｐ４／Ｔ１９                                                …（９）
画素ｐ２１〜ｐ２３の透過率Ｔ２１〜Ｔ２３についても、画素ｐ２４と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
【００８６】
次いで、ステップＳ１２０を経て、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ２に対応する制御値が制御値登録テーブル４２０Ｒ〜４２０Ｂから読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、液晶ライトバルブ４０Ｒの画素ｐ２４についてＴ２４＝0.0842である場合、制御値登録テーブル４２０Ｒを参照すると、図８に示すように、0.07が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４２０Ｒからは、画素ｐ２４の制御値として「７」が読み出される。
【００８７】
そして、ステップＳ１２２を経て、決定された制御値がライトバルブ駆動装置８０に出力される。これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ駆動し、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブの画素面に光学像が形成される。
投射型表示装置１００では、輝度変調ライトバルブにより、光源１０からの光が１次変調され、ダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂにより、輝度変調ライトバルブからの光がＲＧＢ３原色の光に分離され、分離された光がそれぞれ各色変調ライトバルブに入射される。このとき、輝度変調ライトバルブの光学像は、リレーレンズ１６を介して各色変調ライトバルブの画素面に結像される。そして、各色変調ライトバルブにより、リレーレンズ１６からの光がそれぞれ２次変調され、ダイクロイックプリズム４８により、各色変調ライトバルブからの光が合成されて画像が表示される。
【００８８】
このようにして、本実施の形態では、光源１０と、透過率Ｔ１を独立に制御可能な複数の画素を有する輝度変調ライトバルブと、輝度変調ライトバルブからの光をＲＧＢ３原色の光に分離するダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂと、ダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂで分離した光をそれぞれ入射しかつ透過率Ｔ２を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の色変調ライトバルブと、各色変調ライトバルブからの光を合成するダイクロイックプリズム４８とを備え、輝度変調部１４と色変調部１８の光路上に、輝度変調ライトバルブの光学像を各色変調ライトバルブの画素面に結像するリレーレンズ１６を設けた。
【００８９】
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブを介して光源１０からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができる。また、リレーレンズ１６を介して輝度変調ライトバルブの光学像を各色変調ライトバルブの画素面に結像するので、輝度変調ライトバルブの光学像を色変調ライトバルブの画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、輝度変調ライトバルブの画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができる。
【００９０】
さらに、本実施の形態では、各色変調ライトバルブまでの複数の光路のうち光路長が最も大きい光路上に、輝度変調ライトバルブの光学像をその光路に対応する色変調ライトバルブの画素面に結像するサブリレーレンズ５０ａ，５０ｂおよびフィールドレンズ４２Ｂ2を設けた。
これにより、図１に示すように、各色変調ライトバルブまでの光路長が異なる構造を採用しても、輝度変調ライトバルブの光学像を色変調ライトバルブの画素面に比較的精度よく結像することができる。
【００９１】
さらに、本実施の形態では、サブリレーレンズ５０ａを介してフィールドレンズ４２Ｂ２に結像される輝度変調ライトバルブの正立光学像がサブリレーレンズ５０ｂを介して色変調ライトバルブの画素面に倒立光学像として結像されるように、サブリレーレンズ５０ａ，５０ｂおよびフィールドレンズ４２Ｂ２を配置した。
これにより、輝度変調ライトバルブの光学像をほぼ同一の輝度分布で各色変調ライトバルブの画素面に結像することができる。
【００９２】
さらに、本実施の形態では、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブは、液晶ライトバルブである。
これにより、既存の光学部品を利用することができるので、コストの上昇をさらに抑えることができる。
さらに、本実施の形態では、光源１０と輝度変調部１４との光路上に、光源１０からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化部１２を設けた。
【００９３】
これにより、輝度ムラが生じる可能性を低減することができる。
さらに、本実施の形態では、輝度分布均一化部１２は、光源１０からの光を輝度変調ライトバルブの入射可能偏光方向に偏光する偏光変換素子１２ｃを有する。
これにより、光源１０からの光量の多くが輝度変調ライトバルブの変調対象となるので、表示画像の輝度を向上することができる。
【００９４】
さらに、本実施の形態では、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を仮決定し、仮決定した透過率Ｔ２およびＨＤＲ表示データに基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を決定し、決定した透過率Ｔ１に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定し、決定した透過率Ｔ１およびＨＤＲ表示データに基づいて色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を決定し、決定した透過率Ｔ２に基づいて色変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するようになっている。
【００９５】
これにより、表示解像度を決定する色変調ライトバルブの透過率Ｔ２の方を後に決定するので、誤差の影響を抑制することができ、画質が劣化する可能性を低減することができる。さらに、階調数に相当する数の階調テーブルを保持しなくてもすむので、階調数を増加させても、階調テーブルのサイズおよび生成時間がさほど増大することがない。
さらに、本実施の形態では、仮決定した透過率Ｔ２およびＨＤＲ表示データに基づいて、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’を算出し、算出した透過率Ｔ１’に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を算出するようになっている。
【００９６】
輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合は、仮決定された透過率Ｔ２に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を直接算出するよりも、一旦、仮決定された透過率Ｔ２に基づいて色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’を算出してから、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を算出した方が処理が簡単になる。したがって、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を比較的簡単に算出することができる。
【００９７】
さらに、本実施の形態では、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素について算出した透過率Ｔ１’に基づいて、その画素の透過率Ｔ１を算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率Ｔ２に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１をさらに簡単に算出することができる。
【００９８】
さらに、本実施の形態では、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素について算出した透過率Ｔ１’の重み付け平均値を、その画素の透過率Ｔ１として算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率Ｔ２に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１をさらに簡単に算出することができる。
【００９９】
さらに、本実施の形態では、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率Ｔ１に基づいて、その画素の透過率Ｔ２を算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素の透過率Ｔ１に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を比較的簡単に算出することができる。
【０１００】
さらに、本実施の形態では、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率Ｔ１の重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率Ｔ２を算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素の透過率Ｔ１に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２をさらに簡単に算出することができる。
【０１０１】
さらに、本実施の形態では、１段目の光変調素子として輝度変調ライトバルブを、２段目の光変調素子として色変調ライトバルブをそれぞれ利用するようになっている。
これにより、従来の投射型表示装置に光変調素子を１つだけ追加すればよいので、投射型表示装置１００を比較的容易に構成することができる。
上記実施の形態において、輝度変調ライトバルブは、発明１ないし１４の第１光変調素子に対応し、色変調ライトバルブは、発明１ないし５、８ないし１２の第２光変調素子に対応し、輝度分布均一化部１２は、発明６、７または１３の輝度分布均一化手段に対応している。また、ダイクロイックミラー４４ａ，４４ｂは、発明１ないし３、８ないし１０の光分離手段に対応し、ダイクロイックプリズム４８は、発明２または９の光合成手段に対応し、サブリレーレンズ５０ａ，５０ｂおよびフィールドレンズ４２Ｂ２は、発明３、４、１０または１１の第２リレーレンズに対応している。
【０１０２】
また、上記実施の形態において、サブリレーレンズ５０ａは、発明４または１１の第１サブリレーレンズに対応し、サブリレーレンズ５０ｂは、発明４または１１の第２サブリレーレンズに対応している。
なお、上記実施の形態においては、輝度変調ライトバルブからの光をＲＧＢ３原色の光に分離する構成を採用したため、ダイクロイックミラー４２ｂから液晶ライトバルブ４０Ｂまでの光路上に、サブリレーレンズ５０ａ，５０ｂおよびフィールドレンズ４２Ｂ２を設けて構成したが、これに限らず、図１５に示すように、輝度変調ライトバルブからの光をＲＧＢ３原色のうち２原色の光に分離する構成を採用した場合は、サブリレーレンズ５０ａ，５０ｂおよびフィールドレンズ４２Ｂ２を設ける必要はない。
【０１０３】
図１５は、投射型表示装置１００の他のハードウェア構成を示すブロック図である。
投射型表示装置１００は、図１５に示すように、光源１０、輝度分布均一化部１２、輝度変調部１４、リレーレンズ１６、色変調部１８および投射部２０で構成されている。
色変調部１８は、２枚の液晶ライトバルブ４０ＲＢ，４０Ｇと、２枚のフィールドレンズ４２ＲＢ，４２Ｇと、１枚のダイクロイックミラー４４ａと、２枚のミラー４６ａ，４６ｂと、ダイクロイックプリズム４８とで構成されている。まず、リレーレンズ１６からの光をダイクロイックミラー４４ａによりＲＧＢ２原色（赤色および青色）とＲＧＢ単原色（緑色）に分光するとともに、フィールドレンズ４２ＲＢ，４２Ｇおよびミラー４６ａ，４６ｂを介して液晶ライトバルブ４０ＲＢ，４０Ｇに入射する。そして、分光したＲＧＢ２原色および単原色の光の輝度を各液晶ライトバルブ４０ＲＢ，４０Ｇにより変調し、変調したＲＧＢ３原色の光をダイクロイックプリズム４８により集光して投射部２０に出射する。
【０１０４】
これにより、サブリレーレンズ５０ａ，５０ｂ、フィールドレンズ４２Ｂ１〜４２Ｂ３および液晶ライトバルブ４０Ｂを設けなくてすむので、製造コストを低減することができる。
また、上記実施の形態においては、液晶ライトバルブ３０，４０Ｒ〜４０Ｂとしてアクティブマトリックス型の液晶表示素子を用いて構成したが、これに限らず、液晶ライトバルブ３０，４０Ｒ〜４０Ｂとしてパッシブマトリックス型の液晶表示素子およびセグメント型の液晶表示素子を用いて構成することもできる。アクティブマトリックス型の液晶表示は、精密な階調表示ができるという利点があり、パッシブマトリックス型の液晶表示素子およびセグメント型の液晶表示素子は、安価に製造できるという利点を有する。
【０１０５】
また、上記実施の形態においては、輝度変調ライトバルブが１枚の液晶ライトバルブ３０から構成されていることから、１つの制御値登録テーブル４００を用意し、制御値登録テーブル４００に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成したが、これに限らず、ＲＧＢ３原色ごとに制御値登録テーブル４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを用意し、制御値登録テーブル４００Ｒ〜４００Ｂに基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成することもできる。輝度変調ライトバルブは、光の全波長領域の輝度を変調するため、制御値登録テーブル４００には、代表的な波長の光の透過率が登録されている。しかしながら、ＲＧＢ３原色のそれぞれの波長については、必ずしも登録されている透過率とはならない。
【０１０６】
そこで、輝度変調ライトバルブについては、厳密に、ＲＧＢ３原色ごとに制御値に対応する透過率を測定し、制御値登録テーブル４００Ｒ〜４００Ｂを構成する。次いで、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１をＲＧＢ３原色ごとに決定し、Ｒについて算出した透過率Ｔ１に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４００Ｒのなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。同様に、Ｇについて算出した透過率Ｔ１およびＢについて算出した透過率Ｔ１に基づいて制御値登録テーブル４００Ｇ，４００Ｂから該当の制御値を読み出す。そして、輝度変調ライトバルブの同一の画素について読み出した制御値の平均値等をその画素の制御値として算出する。
【０１０７】
これにより、輝度変調ライトバルブの各画素の制御値が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素のＲＧＢ３原色ごとの透過率に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。
また、上記実施の形態においては、色変調ライトバルブを、表示解像度を決定する光変調素子として構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを、表示解像度を決定する光変調素子として構成することもできる。この場合、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１（先に決定される光変調素子の透過率をＴ１とする。）を決定してから、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２（後に決定される光変調素子の透過率をＴ２とする。）を決定する。また、上記と同様に、ＲＧＢ３原色ごとに制御値登録テーブル４００Ｒ〜４００Ｂを用意し、制御値登録テーブル４００Ｒ〜４００Ｂに基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成することもできる。
【０１０８】
具体的には、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２をＲＧＢ３原色ごとに決定し、Ｒについて算出した透過率Ｔ２に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４００Ｒのなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。同様に、Ｇについて算出した透過率Ｔ２およびＢについて算出した透過率Ｔ２に基づいて制御値登録テーブル４００Ｇ，４００Ｂから該当の制御値を読み出す。そして、輝度変調ライトバルブの同一の画素について読み出した制御値の平均値等をその画素の制御値として算出する。
【０１０９】
これにより、輝度変調ライトバルブの各画素の制御値が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素のＲＧＢ３原色ごとの透過率に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。
また、上記実施の形態においては、ＨＤＲ表示データに基づいて輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブの制御値を決定するように構成したが、通常の各色８ビットＲＧＢ画像データを利用する場合、通常のＲＧＢ画像データの０〜２５５という値は、輝度の物理量ではなくあくまで相対的な０〜２５５という値である。そのため、通常のＲＧＢ画像データに基づいて本発明の表示装置の表示を行うためには、通常のＲＧＢ画像から、表示すべき物理的な輝度Ｒｐまたは表示装置全体の透過率Ｔｐを決めなければいけない。
【０１１０】
図１６は、入力値登録テーブル４４０のデータ構造を示す図である。
そのために、図１６の入力値登録テーブル４４０を用いれば、通常のＲＧＢ画像の０〜２５５という入力値から物理的な透過率Ｔｐへの変換を行うことができ、かつ、このテーブルの透過率Ｔｐの設定の仕方によって簡単に通常のＲＧＢ画像に対する表示の見た目（階調特性）を変更することが可能となる。このテーブルにおける透過率Ｔｐは、上式（２）におけるＴｐであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率Ｔ１，Ｔ２が決定され表示が行える。
【０１１１】
図１７は、入力値登録テーブル４６０のデータ構造を示す図である。
図１７の入力値登録テーブル４６０は、透過率Ｔｐの代わりに輝度Ｒｐを用いたものである。このテーブルにおける輝度Ｒｐは、上式（１）におけるＲｐであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率Ｔ１，Ｔ２が決定され表示が行える。
【０１１２】
また、上記実施の形態においては、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率Ｔ１の重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率Ｔ２を算出するように構成したが、これに限らず、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した制御値をもとに、その制御値に対応する透過率Ｔ１tableを制御値登録テーブル４００から読み出し、読み出した透過率Ｔ１tableの重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率Ｔ２を算出するように構成することもできる。
【０１１３】
また、上記実施の形態においては、同一の画素についてＲＧＢ３原色ごとに算出した透過率Ｔ１’の平均値等をその画素のＴ１’として算出するように構成したが、これに限らず、透過率Ｔ１’はそのままＲＧＢ３原色ごとに算出し、ステップＳ１１４において、同一の画素についてＲＧＢ３原色ごとに算出した透過率Ｔ１の平均値等をその画素のＴ１として算出するように構成することもできる。
【０１１４】
また、上記実施の形態においては、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率Ｔ１の重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率Ｔ２を算出するように構成したが、これに限らず、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率Ｔ１の最大値、最小値または平均値を算出し、その算出値に基づいてその画素の透過率Ｔ２を算出するように構成することもできる。
【０１１５】
また、上記実施の形態において、投射型表示装置１００は、透過型の光変調素子を設けて構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブまたは色変調ライトバルブをＤＭＤ（Digital Mirror Device）等の反射型の光変調素子で構成することもできる。この場合、ＨＤＲ表示データに基づいて反射率を決定する。
また、上記実施の形態においては、説明を簡単にするため、画素数および階調数が小さい光変調素子を用いているが、画素数および階調数が大きい光変調素子を用いる場合においても上記実施の形態と同様に処理することができる。
【０１１６】
また、上記実施の形態においては、説明を簡単にするため、ゲインＧ＝１．０と設定したが、ハードウェア構成によっては、ゲインＧ＝１．０ではなくなる。また、実際の計算コストを考えたときには、ゲインＧの影響を含んだかたちで制御値および透過率を制御値登録テーブルに登録しておく方とよい。
また、上記実施の形態において、図９のフローチャートに示す処理を実行するにあたっては、ＲＯＭ７２にあらかじめ格納されている制御プログラムを実行する場合について説明したが、これに限らず、これらの手順を示したプログラムが記憶された記憶媒体から、そのプログラムをＲＡＭ７４に読み込んで実行するようにしてもよい。
【０１１７】
ここで、記憶媒体とは、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体記憶媒体、ＦＤ、ＨＤ等の磁気記憶型記憶媒体、ＣＤ、ＣＤＶ、ＬＤ、ＤＶＤ等の光学的読取方式記憶媒体、ＭＯ等の磁気記憶型／光学的読取方式記憶媒体であって、電子的、磁気的、光学的等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体であれば、あらゆる記憶媒体を含むものである。
【０１１８】
また、上記実施の形態においては、本発明に係る光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法を、図１に示すように、投射型表示装置１００に適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。
【０１１９】
また、上記実施の形態においては、前段の液晶ライトバルブの光学像を後段の液晶ライトバルブに結像するためのリレー光学系として、主に透過型の光学素子から構成されるリレーレンズを用いているが、これに限らず、主に反射型の光学素子（ミラー）から構成される反射型のリレー光学系を用いてもよい。
【０１２０】
図１８〜図２０は、ミラーから構成される反射型のリレー光学系の構成例を模式的に示している。
図１８のリレー光学系は、１つの凹面ミラー５００を介して、前段ライトバルブ５０１の光学像を後段ライトバルブ５０２上に結像させる構成からなる。すなわち、このリレー光学系では、１回の反射によって結像関係（２つのライトバルブ５０１，５０２がほぼ共役となる関係）を完成させている。凹面ミラー５００は、球面ミラーでもよく、軸対称性のない非球面ミラーでもよい。
【０１２１】
図１９及び図２０のリレー光学系は、高い結像性能を得るために、複数回の反射によって結像関係を完成させる構成からなる。つまり、図１９及び図２０のリレー光学系では、光路上に複数の反射型光学素子（ミラー）を配置することで、収差補正を行い、リレー光学系の結像性能を向上させている。さらにこの場合、平面ミラーを含むことにより、レイアウトの自由度の向上が図られる。
【０１２２】
具体的には、図１９のリレー光学系は、２つの凹面ミラー５１０，５１１と、凹面ミラー５１０の反射光を凹面ミラー５１１に導くための平面ミラー５１２とを有する。前段ライトバルブ５０１からの光束は、凹面ミラー５１０、平面ミラー５１２、凹面ミラー５１１の順に反射した後、後段ライトバルブ５０２に入射する。なお、本例では、平面ミラー５１２は、絞りに相当する機能を有する。また、凹面ミラー５１０と凹面ミラー５１１とは一体構成であってもよい。
【０１２３】
図２０のリレー光学系は、２つの凹面ミラー５２０，５２１と、２つの平面ミラー５２２，５２３とを有する。前段ライトバルブ５０１からの光束は、凹面ミラー５２０、平面ミラー５２２、平面ミラー５２３、凹面ミラー５２１の順に反射した後、後段ライトバルブ５０２に入射する。平面ミラー５２２と平面ミラー５２３との間の光路上に絞りを配置してもよい。
【０１２４】
こうした反射型のリレー光学系は、収差（例えば色収差）の低減に有利である。すなわち、反射型のリレー光学系では、透過型の光学素子（レンズ）を用いることに起因する収差（例えば色収差）の発生が回避される。
【０１２５】
また、図１９及び図２０に示すリレー光学系は、複数のミラーを用いることにより、両側テレセントリック性を有している。そのため、後段ライトバルブの画面上に結像される像の、明るさ、色味、コントラスト等の均一化が確実に図られ、画像表示品質が良好なものとなる。
【０１２６】
なお、図１９及び図２０のリレー光学系では、平面ミラーに代えて凹面ミラーや凸面ミラー（それぞれ非球面ミラーを含む）を用いることにより、像面の収差補正を行いやすい構成とすることもできる。
【０１２７】
また、上記反射型のリレー光学系に用いるミラーは、基板上にアルミニウムや銀などの金属膜を形成した形態の他に、誘電体多層膜による反射膜（増反射膜）を有する形態、両者を組み合わせた形態等が適用される。誘電体多層膜による反射膜は、例えば、ガラスやシリコンなどの基板上に高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層することにより形成でき、膜境界面での反射光による干渉を利用して高い反射率を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】投射型表示装置１００のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図２】リレーレンズ１６の構成を示す図である。
【図３】リレーレンズ１６の動作原理を示す図である。
【図４】テレセントリック性の説明図である。
【図５】テレセントリック性の説明図である。
【図６】表示制御装置２００のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図７】制御値登録テーブル４００のデータ構造を示す図である。
【図８】制御値登録テーブル４２０Ｒのデータ構造を示す図である。
【図９】表示制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】トーンマッピング処理を説明するための図である。
【図１１】色変調ライトバルブの透過率Ｔ２を仮決定する３場合を示す図である。
【図１２】色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１’を算出する場合を示す図である。
【図１３】輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を決定する場合を示す図である。
【図１４】色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を決定する場合を示す図である。
【図１５】投射型表示装置１００の他のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図１６】入力値登録テーブル４４０のデータ構造を示す図である。
【図１７】入力値登録テーブル４６０のデータ構造を示す図である。
【図１８】ミラーから構成される反射型のリレー光学系の構成例を模式的に示す図である。
【図１９】ミラーから構成される反射型のリレー光学系の構成例を模式的に示す図である。
【図２０】ミラーから構成される反射型のリレー光学系の構成例を模式的に示す図である。
【図２１】特許文献２記載の投射型表示装置における第１光変調素子および第２光変調素子の光路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１００…投射型表示装置，  １０…光源，  １０ａ…ランプ，  １０ｂ…リフレクタ，  １２…輝度分布均一化部，  １２ａ，１２ｂ…フライアイレンズ，  １２ｃ…偏光変換素子，  １２ｄ…集光レンズ，  １４…輝度変調部，  ３０…液晶ライトバルブ，  ３２ａ…フィールドレンズ，  ３２ｂ…集光レンズ，  １６…リレーレンズ（リレー光学系），  １８…色変調部，  ４０Ｒ〜４０Ｂ，４０ＲＢ…液晶ライトバルブ，  ４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂ１〜４２Ｂ３，４２ＲＢ…フィールドレンズ，  ４４ａ，４４ｂ…ダイクロイックミラー，  ４６ａ〜４６ｃ…ミラー，  ４８…ダイクロイックプリズム，  ５０ａ，５０ｂ…サブリレーレンズ，  ２０…投射部，  ７０…ＣＰＵ，  ７２…ＲＯＭ，  ７４…ＲＡＭ，  ７８…Ｉ／Ｆ，  ７９…バス，  ８０…ライトバルブ駆動装置，  ８２…記憶装置，  １９９…ネットワーク，  ４００，４００Ｒ〜４００Ｇ，４２０Ｒ〜４２０Ｇ…制御値登録テーブル，  ４４０，４６０…入力値登録テーブル，  １１２ａ，１１２ｂ…フライアイレンズ，  １１２ｄ…集光レンズ，  １３０…第１光変調素子，  １４０…第２光変調素子
【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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【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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