(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報に対応して光を変調又は放出する画素を有する表示素子と、前記画素をスクリーンに拡大投射する投射手段と、該投射手段内に設けられた光軸シフト手段により光軸を水平方向及び垂直方向にシフトしてスクリーン上の画素の位置を光学的に変位させる変位手段と、を有する投射画像表示装置において、
前記スクリーンに投射される画素に対応した光束の光強度分布を画素プロファイルとし、
前記表示素子上で隣接して配置される複数の画素のそれぞれに対応する画素プロファイルが前記スクリーン上で重なって連続した複数の画素プロファイルから合成される光強度プロファイルを連続画素プロファイルとし、
該連続画素プロファイルの隣接した画素プロファイルが重なる部分の光強度を裾野強度としたとき、
該裾野強度の最小光強度が、前記連続画素プロファイルの最大光強度の３３％以内となるように前記画素プロファイルを変形させる画素プロファイル変形手段を、前記表示素子と前記投射手段の間に有し、
かつ、前記画素プロファイル変形手段は、
該画素プロファイル変形手段により変形される前記スクリーン上の画素プロファイルのピーク強度の半分の値の幅Ｗを画素周期Ｐで規格化した値Ｗ／Ｐを半値全幅とし、前記変位手段の光軸シフト手段により前記スクリーン上で変位される画素シフトのステップ数を水平方向２ステップ、垂直方向２ステップとすると、
Ｗ／Ｐ≦０．７
の関係が成り立つように前記スクリーン上の画素プロファイルを変形させることを特徴とする投射画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光変調素子又は空間光放出素子等の表示素子の画素を光学的に変位させる変位手段を有する高解像度の投射画像表示装置に関し、より具体的には実像を投射するフロントプロジェクタ、リアプロジェクタ等の投射画像表示装置及び虚像を投射するヘッドマウンテッドディスプレイ、ビューファインダ等の高解像度の投射画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サブフィールド毎に空間光変調器（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が既に開示されている（例えば、特許文献１、２、３、４、５  参照。）。これらは、走査線に垂直な２つの位置又は縦横４つの位置に対して光軸シフトにより画素を光学的に変位させ、同時にこの変位に対応したサブフィールドを２枚又は４枚とすることにより、スクリーン上で、各々２倍及び４倍の画素数、つまりは２倍及び４倍の解像度を得ることができる。
【０００３】
また、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、変位することによってＲＧＢのデルタ配列を実現したり、一部の画素のみを変位して特定部分のみを高解像度化を行う等の装置も開示されている（例えば、特許文献６、７、８  参照。）。
【０００４】
前述の特許文献１には、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が開示されており、これと光軸シフト素子を用いて、高解像度化を行う際に、隣接する画素間の重なりを生ずることのない高解像度の投射画像形成装置が示されている。
【０００５】
しかしながら、画素形状は空間光変調素子の開口形状で主に決定され、画素を含む面での画素の外形形状は通常は正方形であり、かつ、ビームプロファイルつまりは画素プロファイルである光強度断面は、開口内の透過率が均一であることから開口のエッジで大きなステップを有する矩形形状を有する画素プロファイルを有している。このため、空間光変調素子面での１画素ないしは連続する複数の画素からなる画像は、そのエッジでの階調は非常に大きな空間周波数変調となり、画素単位の最大空間周波数でのライン＆スペースの光強度分布で測定される「解像度」や目視による「鮮鋭度」は良好であるものの、同様に目視による評価としては「カタサ」、「ジャギー」、及び「画像不連続性」が目立つ画像となる。
【０００６】
これらは、ＣＲＴの画像に対する液晶の画像の不具合点に対応するものである。ＣＲＴの画素プロファイルは、ガウシアン分布形状に類似の画素プロファイルであり、視認性としては「カタサ」、「ジャギー」、及び「画像不連続性」が目立たない滑らかな画像である。同時に、これらの結果として、「階調不連続性」も目立たなくなる。しかしながら、「解像度」と「鮮鋭性」が、画素数を基準として良好であるとはいえない。
【０００７】
これに対し、フラットパネルである液晶表示装置の画素の外形形状は方形であり、かつ、画素プロファイルは矩形形状である。このため、「解像度」と「鮮鋭性」が、画素数を基準として良好であるのに対し、「カタサ」、「ジャギー」、及び「画像不連続性」が目立つ画像である。このため、フォント画像に対するソフト処理により、予め、フォントとして、「ハネ」や「エッジ」部分等を、２値的なデータの白黒文字であっても、グレースケールを利用した高階調表示を行って、「カタサ」、「ジャギー」、及び「画像不連続性」を目立たなくなる処理がなされる場合もある。
【０００８】
ＳＶＧＡやＸＧＡクラスの従来の低解像度のデータプロジェクタの場合は、元々低解像度のために１画面の情報量自体が不足しており、１つの文字を形成するドット数が少ない状態となり、この場合にはエッジが鮮鋭でないと、ぼやけた印象となり文字の判別性が悪化し、視認性が劣化しやすく、視認性としての「カタサ」、「ジャギー」、「画像不連続性」、及び、「階調不連続性」が逆に好ましい場合もある。しかしながら、ＶＧＡ程度の低解像度の場合においても映像用プロジェクタの場合、及びＵＸＧＡ以上の高解像度の映像用及びデータ用の両方のプロジェクタの場合においては、その画像品質に対する要求が従来の低解像度のデータ用プロジェクタと異なり、１画面の情報量としては十分になりつつあり、その上で高解像度により画像の「面とエッジの滑らかさ」を実現して視認性を向上して、観察者の認識率を向上し、エラー率を低減し、観察者の疲労を低減させると同時に省エネルギーでより環境に配慮することが重要となる。
【０００９】
このために、光軸シフト素子を用いて、元の液晶ライトバルブの２倍、さらには３倍の走査線数やデータ線数による増倍効果により、４倍さらには９倍の画素数の高解像度化を行う場合には、例えば４倍の高解像度化を行う場合には従来の直線的開口率５０％以下に画素縮小をした場合（通常の面積的開口率では、２乗の２５％である）の縮小画素を投射レンズにより投射する投射画像の画素形状は、従来の低解像度のプロジェクタの場合と異なって高解像度の場合に要求される、「面とエッジの滑らかさ」を実現することが困難である。
【００１０】
外形形状が正方形形状で、かつ、光強度が矩形形状である空間光変調素子の従来の画素を投射してプロジェクタ装置を作製した場合、投射レンズにより正方形の画素が所定の倍率でスクリーン上に拡大されると同時に、この投射レンズのＭＴＦ周波数特性に応じて、矩形形状のビームプロファイルが変換されてスクリーン上の画素となるが、通常は矩形形状の両端のエッジが大きな曲率を有するように変換される。データプロジェクション用の投射レンズの解像度は、その画像情報の種類、製品価格帯でも大きく異なるが、通常は相対的に高コストに液晶ライトバルブの解像度を有効に活かすために、その画素のピッチが与える最高の空間周波数でのＭＴＦが、３０％以上が必要であり、好ましくは５０％以上である。
【００１１】
このとき、投射レンズが全ての空間周波数でＭＴＦ１００％であるならば、液晶ライトバルブでの画像とスクリーン上の拡大画像とは、完全に１：１の関係にあるので、画素プロファイルは矩形形状であり、視認性としての「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」が、通常のフラットディスプレイとしての液晶モニタと同様に、非常に目立つ画像である。
【００１２】
実際には、投射レンズのＭＴＦは、全ての空間周波数で完全にＭＴＦ１００％であることはないので、画素の矩形形状のビームプロファイルは、単純に正弦波的な画素プロファイルに近づいてゆくことに対応して、画像品質が変形を受け「カタサ」、「ジャギー」、及び「画像不連続性」等を減少することができる。しかしながら、このようにして、従来の直線的開口率５０％以下の縮小画素を、比較的低ＭＴＦの投射レンズで投射して投射画像を形成しても、開口率が小さいために、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」等が目立たない状態まで、投射レンズのＭＴＦを落とした場合には、隣接する画素間の隙間があるがゆえに、画像の解像度も同時に劣化し、画像の「鮮鋭性」が非常に減少しまう状態が生じる。投射レンズのＭＴＦが、３０％よりもさらに小さくなった場合は、この傾向はさらに大きくなり、この場合には光軸シフトすることにより高解像度化を行った場合の画像品質の向上がほとんど無くなり、かわりに劣化した画像しか表示できなくなる。これは、投射レンズの合焦位置をシフトして、焦点位置を外した場合も同様であり、高解像度化の際に「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」等を減少させる画素プロファイルとしては、この開口率を単純に直線的開口率５０％以下として画素縮小を行った画素プロファイルは不向きである。
【００１３】
光軸シフトをして高解像度化を行う場合に集光レンズにより透過型液晶パネルの比較的大きい開口より小さく集光する前述の方法が開示されている（例えば、特許文献９  参照。）。
【００１４】
図１６及び図１７に、特許文献９に開示された画素サイズを変形させる手段とした透過型液晶パネルに１回透過型のマイクロレンズを組み合わせた従来例となる構成の一例を示す。図１６には、特定の開口を有する透過型液晶ライトバルブと、この画素に対向して、アクティブ素子により制約されて生じる小さな開口よりもさらに画素サイズを縮小する円形外形上を有するマイクロレンズの構成例を示しており、図１７には、図１６に示す構成により画素を縮小された矩形形状の画素プロファイルの光束が、光軸シフトされた場合に合成される連続画素プロファイルの状態を示す。
【００１５】
図１６において、１０１は入射光光束、１０２は集光光学系、１０２ａは微小レンズ、１０３は表示素子、１０３ａは表示素子に設けられた画素の開口部、１０１ａは集光された画素、１０４は出射光光束である。表示素子１０３の画素の開口部１０３ａに入射する入射光光束１０１は、集光光学系１０２に設けられた微小レンズ１０２により集光されて集光画素１０１ａとなり開口部に入射透過し、この後に開口部１０３ａから出射されて出射光光束１０４となる。
【００１６】
図１７において、（ａ）は画素を縮小しない構成の場合の光軸シフトされた場合に合成される連続画素プロファイルの状態であり、（ｂ）は画素を図１６に示す構成の従来の画素を縮小した場合の光軸シフトした場合に合成される連続画素プロファイルの状態である。何れの場合も、透過型の液晶ライトバルブと、光軸シフト素子を用いた投射拡大装置により、一方向に２倍の高解像度化を行った場合の作用を説明するものである。
【００１７】
図１７（ａ）に示すように、画素縮小をしない場合には、画素に設けたアクティブ素子（図示せず）の配置により決定される１００％未満の面積開口効率の開口により画素が若干に縮小されており、この場合の画素プロファイルは均一な照明が開口で制限された矩形形状であり、このような画素プロファイルを用いて光軸シフトにより高解像度化しても、シフトした矩形形状の画素プロファイル同士が重なりあった場合に、この重なりあった部分の光強度がステップ的に増大して、光軸シフトを用いたにも関わらず解像度が向上しないと同時に、画像の「画像不連続性」も目立ってしまうという問題があった。
【００１８】
図１７（ｂ）に示すように、画素縮小をして矩形形状の画素プロファイルの幅を画素ピッチの５０％以下にした場合には、隣接した画素プロファイル間の重なりがなくなることにより解像度が向上する。しかしながら、図１７（ｂ）に示す画素プロファイルは、特許文献１と同様に、直線的開口率が５０％以下の矩形形状の画素プロファイルであり、「解像度」及び視認性としての「鮮鋭性」は良好でありながらも、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」が、通常のフラットディスプレイとしての液晶モニタと同様に目立つ画像である。これは、投射レンズのＭＴＦ特性を変化させることで低減できるが、逆に「解像度」と「鮮鋭性」が劣化してしまう。
【００１９】
このため、光軸シフト素子を用いて画素プロファイルをシフトすることにより高解像度化を実現する高解像度の映像プロジェクタや高解像度のデータプロジェクタとしては、画素数の増大による高解像度を活かして、従来の低解像度のプロジェクタの場合と異なって高解像度の場合に要求される「鮮鋭性」を確保し、かつ、「面とエッジの滑らかさ」を実現した投射画像を形成することができない。
【００２０】
また、このような問題は、図１６に示されるように画素の外形形状が集光光学系により円形形状になったとしても、その画素サイズを縮小された画素プロファイルが矩形形状である限りは同様であって、光軸シフトを用いた画素数の増大による高解像度化の目的とする投射画像を形成することができない。さらに、特許文献１では画素サイズを縮小してはいるものの、画素プロファイルが重ならないためには直線的開口率５０％以下の画素縮小が必要となる矩形形状のビームプロファイルを前提としてのみ成立する動作、作用であり、矩形形状以外の画素プロファイルに関する記述は全く認められず、この矩形形状の画素プロファイルによって生じる画像品質の劣化を解決するには至っていない。
【００２１】
一方、特許文献９では、輝度レベルつまりは光強度も向上してコントラストが向上することが開示されているが、ピーク輝度が向上しても１画素面積当りの平均輝度が向上することはないので、画素を縮小することによる画素の有効開口率が向上する以外は光利用効率の向上はあり得ない。一般的には、元の画素の面積を基準とした場合の輝度は、同一又は付加された光学部品による損失等により低減する。
【００２２】
さらに、特許文献９は、図１７（ｂ）に示されるように、縮小画素の画素プロファイルとして矩形形状を前提としており、このため光軸シフト素子を用いて解像度を向上する場合には、一方向に２倍にする場合に光軸シフトさらた画素が図１７（ａ）のように重ならないためには、少なくとも直線的開口率５０％以下の画素縮小が必要となり、このためトレードオフの関係として、出射光光束のＦ値が照明光学系により決定される入射光のＦ値に対して約２倍になり、投射レンズとして非常に明るいレンズが必要となる。逆に、画素縮小をしない場合に最適のＦ値の投射レンズを用いた場合は、投射レンズでのケラレが生じて、画素縮小しない場合と比較して２５〜５０％の非常に低い光利用効率となる。また、画素縮小に用いる光学系の諸収差により出射光のＦ値は２倍分よりさらに明るくなる場合が生じる影響により、実際には出射光束の角度で２倍相当の明るさのＦ値（Ｆ値で１／２倍の投射レンズ）を用いたとしても、若干に光利用効率が低減してしまう。このため、画素縮小する場合には、光利用効率の向上が非常に大きな問題となるが、これに関する解決方法に関しては、特許文献９には一切記述されていない。
【００２３】
【特許文献１】特開平０４−１１３３０８号公報
【特許文献２】特開平０５−２８９０４４号公報
【特許文献３】特開平０９−１５２５７２号公報
【特許文献４】特開平０６−３２４３２０号公報
【特許文献５】特開２０００−９８９６８公報
【特許文献６】特開平０８−１９４２０７号公報
【特許文献７】特開平０９−２３０３２９号公報
【特許文献８】特開平０９−０１５５４８号公報
【特許文献９】特開平０９−０５４５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、上述した問題点に鑑み、光軸シフト素子を用いて画素の増大を図り高解像度化する投射画像表示装置において、「解像度」と「鮮鋭性」を確保し、かつ、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減することにより「面とエッジの滑らかさ」を実現し、さらには光利用効率の向上させ得る明るい投射画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
請求項１記載の発明は、画像情報に対応して光を変調又は放出する画素を有する表示素子と、前記画素をスクリーンに拡大投射する投射手段と、該投射手段内に設けられた光軸シフト手段により光軸を水平方向及び垂直方向にシフトしてスクリーン上の画素の位置を光学的に変位させる変位手段と、を有する投射画像表示装置において、
前記スクリーンに投射される画素に対応した光束の光強度分布を画素プロファイルとし、
前記表示素子上で隣接して配置される複数の画素のそれぞれに対応する画素プロファイルが前記スクリーン上で重なって連続した複数の画素プロファイルから合成される光強度プロファイルを連続画素プロファイルとし、
該連続画素プロファイルの隣接した画素プロファイルが重なる部分の光強度を裾野強度としたとき、
該裾野強度の最小光強度が、前記連続画素プロファイルの最大光強度の３３％以内となるように前記画素プロファイルを変形させる画素プロファイル変形手段を、前記表示素子と前記投射手段の間に有し、
かつ、前記画素プロファイル変形手段は、
該画素プロファイル変形手段により変形される前記スクリーン上の画素プロファイルのピーク強度の半分の値の幅Ｗを画素周期Ｐで規格化した値Ｗ／Ｐを半値全幅とし、前記変位手段の光軸シフト手段により前記スクリーン上で変位される画素シフトのステップ数を水平方向２ステップ、垂直方向２ステップとすると、
Ｗ／Ｐ≦０．７
の関係が成り立つように前記スクリーン上の画素プロファイルを変形させることを特徴とする。
【００２６】
従って本発明によれば、光軸シフトした場合の最隣接画素の中心付近へのクロストークの影響を減少させることができると同時に画素のエッジ付近の相対光強度を減少させることができるので、光軸シフトした場合の隣接画素間の重なりの影響を低減し、画像の「鮮鋭性」と「面とエッジの滑らかさ」とを同時に実現した投射画像表示装置を実現できる。また、画素プロファイルの半値全幅の画素ピッチに対する相対値をより大きくすることで出射光光束の角度を低減させることができるので、投射レンズによる出射光光束のケラレが減少し、出射光光束の取り込みの光利用効率が大きくて明るい投射画像表示装置が実現できる。
【発明の効果】
【００５３】
画素の光強度プロファイルを変形させる画素プロファイル変形手段を備えることにより、画素のエッジ付近の相対光強度を減少させ、光軸シフトした場合の隣接画素間の重なりの影響を低減させ、「解像度」と「鮮鋭性」を確保し、かつ、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減することにより「面とエッジの滑らかさ」を実現し、さらには光利用効率の向上させ得る明るい投射画像表示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】
【００５４】
以下に、図面を用いて本発明の画像投射装置の実施の形態を詳細に述べる。
＜実施の形態１＞
図１及び図２は、本発明の高解像度の投射画像表示装置の実施の形態１の構成を示したものである。図１は、本実施の形態の投射画像表示装置の概要図であり、図２は画素縮小素子の一構成例である。図１において、１はリフレクタを設けた高圧水銀ランプからなる白色光源であり、２はフライアイレンズ等の光インテグレータであり、３はカラーホイール等の色分離装置であり、４は空間光変調素子であり、５は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、６はマクロレンズであり、７は第１マイクロレンズアレイ７ａと第２マイクロレンズアレイ７ｂとから構成される画素プロファイル変形素子であり、８は投射レンズであり、９はスクリーンである。図示はしていないが、投射レンズ８内で画素プロファイル変形素子側に、強誘電性液晶を垂直配向した液晶セルを用いた光軸シフト手段を設けてある。
【００５５】
図１において、白色光源１を出た光は、まず、フライアイレンズ等の光インテグレータ２により、照度が均一化される。光インテグレータ２は、例えば、２つのフライアイレンズと１つのコンデンサレンズにより構成されるが、偏光変換用のＰＢＳアレイを設けてもよい。次に、カラーホイール等の色分離装置３により、赤、緑、青の３色に分離される。カラーホイールを用いた場合、同時に赤、緑、青に分離されるのではなく、時系列に赤、緑、青に分離される。次に、各色毎に偏光ビームスプリッタ５に入り、空間光変調素子４の画素で反射され、偏光ビームスプリッタ５を抜け、マクロレンズ６に入る。マクロレンズ６により、一旦、第１マイクロレンズアレイ７ａ面で画素の中間像が形成され、この第１マイクロレンズアレイ７ａはフィールドレンズ的に作用し、続く第２マイクロレンズアレイ７ｂによりこの中間像の画像プロファイルが変形され、最終的に投射レンズ８により投影され、スクリーン９に高詳細画像が変形された画素プロファイルによる投射画素の集合体により形成される。
【００５６】
このとき、投射レンズ内には、光軸シフト手段（図示せず）が設けられており、該光軸シフト手段の強誘電性液晶を垂直配向した液晶セルは、液晶層の厚さが約１００μｍであり、これを２組用い、さらにその２組の中間に、広帯域λ／２波長板を設けて、水平方向２ステップ、垂直方向２ステップの合計４変位箇所の光軸シフトが可能な光軸シフト手段とした。電極は、基板横方向に電界を印加する必要があるために、短冊状電極とその上に誘電厚膜層を形成し、１〜４ｋＶの高電圧を両端に印加した。これにより、光軸シフトを、一方向に５〜１０μｍ行うことができる。
【００５７】
また、表示素子である空間光変調素子４としては、サブフィールド毎の光軸をシフトしながら画像を表示できるよう、高速応答を実現するために強誘電性液晶を用いたＬＣＯＳ（Ｌiquid Ｃrystal on Ｓｉ）を使用した。空間光変調素子４の画素ピッチは、１３．２μｍであり、ほぼ等倍のマクロレンズ６は、倍率が１３．２μｍが画素プロファイル変形素子７のマイクロレンズ７ａ，７ｂのマイクロレンズピッチ１４．０μｍに適合するように、結像位置関係を調節して、ＬＣＯＳのピッチと、画素プロファイル変形素子７のマイクロレンズ７ａ，７ｂの１４．０μｍのピッチとを一致させた。空間光変調素子４としては、ＬＣＯＳ以外に高温多結晶シリコンを用いた透過型液晶ＬＶやＤＭＤ（デジタルインストルメント社、米国）などを用いることもできる。ただし、ＤＭＤを使う場合には偏光ビームスプリッタ５は不要となる。また、マクロレンズ６のＦ値を４．０として、投射レンズ８はＦ値２.４とした。
【００５８】
また、図１に示す画素プロファイル変形手段としての画素プロファイル変形素子７は、図２に示すように、２枚の第１マイクロレンズアレイ７ａと第２マイクロレンズアレイ７ｂとにより構成され、さらに第１マイクロレンズアレイ７ａは、はその焦点距離が大きくてよいことからマイクロレンズのパワーを小さくするために樹脂埋め込みによる貼り合せ型マイクロレンズとし、第２マイクロレンズアレイ７ｂは焦点距離が小さいことが好ましいので空気界面マイクロレンズとした。また、第１マイクロレンズアレイ７ａと第２マイクロレンズアレイ７ｂとの調整は、各々のマイクロレンズアレイ７ａ，７ｂに６軸ステージ（光軸方向：ｚ、それに垂直な２方向：ｘ及びｙ、またｘ，ｙ，ｚ軸での回転：３つ）を用いた。
【００５９】
図２に示す貼り合せ型の第１マイクロレンズアレイ７ａは、マイクロレンズアレイ７ｃ、接着剤７ｄ、透明のカバー部材７ｅからなる。材料としては、マイクロレンズ７ｃとカバー部材７ｅがガラスを用いた。より具体的には、図２のマイクロレンズによる画素縮小素子は、凸形状マイクロレンズをネオセラム（日本電気硝子の結晶化透明ガラス）基板を、レジスト転写法によるドライエッチングで作製し、これを別の平板ネオセラム基板とで低屈折率のＵＶ光硬化性接着剤（協立化学、＃７７０２）を挟み込んで、ＵＶ照射により接着硬化させて製作した。また、材料は、上記に限定されるものではなく、屈折率やエッチング特性や熱膨張率を適切に選択すればよい。
【００６０】
このとき、図１に示される投射画像装置のスクリーン９上に観察されるサブフィールドでの投射画素は、図２に示される画素プロファイル変形素子７により変形された画素プロファイルを有する画素を投射レンズ８により拡大結像されたものである。このとき、第１マイクロレンズアレイ７ａとＬＣＯＳ（空間光変調素子４）及びマクロレンズ６との相対位置と焦点距離、及び第１マイクロレンズアレイ７ａに対する第２マイクロレンズアレイ７ｂの相対位置及び焦点距離を適切に選択することにより、画素プロファイルを従来の矩形形状とは異なる形状にして、画素のエッジ付近の相対光強度を減少することができるので、光軸シフトした場合の隣接画素間の重なりの影響を低減され、画像の「鮮鋭性」と「面とエッジの滑らかさ」とを同時に実現した投射画像表示装置を実現できる。
【００６１】
さらには、画素ピッチに対する画素プロファイルの半値全幅を従来の矩形形状のプロファイルの場合よりも大きくできることにより、出射光光束の角度を低減することができるので、投射レンズ８による出射光光束のケラレが減少し、出射光光束の取り込みの光利用効率が大きくて明るい投射画像表示装置が実現できる。この出射光束角度の低減は、実効的な画素縮小の程度を弱めた分に対応して画素単位とした場合の実効的な照明面積が大きくなったことに相当し、このためこの画素単位とした照明角度の増大が抑制されたことに基づく。
【００６２】
画素のエッジ付近の相対光強度を減少することができることにより、光軸シフトした場合の隣接画素間の重なりの影響を低減させることができ、かつ、画像の「鮮鋭性」と「面とエッジの滑らかさ」とを同時に実現できることをより詳細に説明する。ＬＣＯＳのような矩形形状の画素プロファイルを有する画素を投射レンズで投射した投射画像を形成する場合に、高ＭＴＦの投射レンズを用いると、元の画素に対応した略矩形形状の投射画素プロファイルを有する投射画素により、高解像度を実現でき良好な「鮮鋭性」を実現できるが、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」が目立ち「面とエッジの滑らかさ」が劣化した画像である。逆に、低ＭＴＦの投射レンズを用いたり高ＭＴＦの投射レンズの焦点をはずすことにより、元の画素の画素プロファイルに対応させないで矩形形状のエッジ部分やフラット部分に曲率をもたせた投射画素プロファイルを有する投射画素により、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させた「面とエッジの滑らかさ」が良好な画像を実現できるが、これとトレードオフとして「解像度」の劣化し「鮮鋭性」の低減した投射画像しか実現できない。
【００６３】
これは、画素のエッジ部分の出射光束の光強度が、画素の中央部分と同じであるために、低いＭＴＦの場合には、画素のエッジ部分の出射光束が、低ＭＴＦの投射レンズに対応して比較的大きく拡がっている点像関数に対応して隣接画素の領域まで広く拡がるためである。この場合の隣接画素への出射光束の広がりは、最隣接の１画素に限定されるわけではなく、最隣接画素を１画素又は２画素おいた２画素目又は３画素目以上に拡がる。これは、画素の直線開口率が５０％以下の開口の場合も同様であり、光軸シフトした場合の画素間の隙間を埋めることにより、画素間の隙間により生じる「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させるために低ＭＴＦレンズを用いた場合も、その隙間にのみ画素の出射光束が拡がるのではなく、画素の中央部分と同じ光強度を有する画素のエッジ部分の出射光束が、最隣接の１画素、さらには最隣接画素を１画素又は２画素おいた２画素目又は３画素目以上にまで拡がる。これにより、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させた「面とエッジの滑らかさ」が良好な画像の実現と、「解像度」の高い「鮮鋭性」の良好な画像を有する投射画像の実現とができない。
【００６４】
しかしながら、本実施の形態は、ＬＣＯＳ（空間光変調素子４）の矩形形状の画素プロファイルを有する画素を、予め画素単位で設けた光学素子７により画素プロファイルを非矩形形状（矩形形状と異なる形状）に変形させ、その後にこの変形された画素プロファイルを有する画素を適切なＭＴＦの投射レンズ８により投射して投射画像を形成しているので、画素の中央部分と同じ光強度を有する画素のエッジ部分の出射光束の影響を低減することができるようになり、従来の矩形形状の画素プロファイルを有する画素の投射では困難であった、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させた「面とエッジの滑らかさ」が良好な画像の実現と、「解像度」の高い「鮮鋭性」の良好な画像を有する投射画像の実現とをできるようになる。
【００６５】
より具体的には、矩形形状プロファイルを、画素の中央部の光強度に対する画素のエッジ付近の相対光強度を減少した画素プロファイルへ画素毎に設けた光学素子７により変形することにより、投射レンズ８の点像分布関数に基づいて隣接した画素へと拡がる画素のエッジ付近の出射光束の影響を低減できることによる。
【００６６】
さらに、この画素毎に設けた画素プロファイル変形素子７による画素プロファイルの変形は、投射レンズ８により矩形形状の画素プロファイルが変形を受けるのと異なる。これは、この画素プロファイルの変形を、画素単位の光学素子により画素単位で光学的作用をさせているので、最隣接した画素には若干に影響を及ぼすものの、その光学作用が画素単位であるがゆえに、最隣接画素を１画素又は２画素おいた２画素目又は３画素目以上にまで拡がることを大きく減少することができることによる。このために、隣接画素とのクロストークを大きく低減することができる。
【００６７】
また、画素に対して直線開口率が５０％より大きい場合においても、画素ピッチに対する画素プロファイルの半値全幅の相対値が７０％以下である場合には、画素のエッジの出射光束の影響が低減されているので、高い「解像度」と良好な「鮮鋭性」とを実現することができる。これは、画素をあまり縮小しなくてもよいことを意味し、この分に相当して出射光束の広がりを低減できた分だけ、光利用効率を向上させることができる。これはＦ値に対応するので、この縮小率又は出射光束角度の２乗で光利用効率を向上することもできるようになる。この場合の画素ピッチに対する画素プロファイルの半値全幅の相対値は、好ましくは７０％以下であり、より好ましくは６０％以下である。
【００６８】
また、図２に示す画素プロファイル変形素子７により、画素プロファイルを非矩形形状（矩形形状でない形状）に変形した画素を、図１に示す光軸シフト素子を設けて高解像度化した投射画像表示装置において、投射レンズ８によりスクリーン９に投射した場合、その投射画素の画素プロファイルも非矩形形状で投射される。このとき、この非矩形形状の画素プロファイルを有する投射画素に対して、投射画素ピッチに対する投射画素プロファイルの半値全幅の相対値が７０％以下である場合には、元の投射前の画素の場合と同様に、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させた「面とエッジの滑らかさ」が良好な画像の実現と、「解像度」の高い「鮮鋭性」の良好な画像を有する投射画像の実現とができた。これは、非矩形形状の画素プロファイルを有する投射画素を投射した投射画素の投射画素プロファイルが、従来の矩形形状の画素プロファイルを有する画素を投射した投射画素の投射画素プロファイルと異なり、同じＭＴＦの投射レンズを用いた場合において、元の画素プロファイルに対応して、投射画素のエッジ付近の投射光が、隣接した画素の投射光と重なってクロストークとなる光強度が小さいことによる。
【００６９】
図３に、図１及び図２に示す構成の投射画像表示装置において表示された非矩形形状の画像の投射画素の投射画素プロファイルの一例を示す。図３において、横軸をスクリーン上での相対位置、縦軸を相対光強度とし、横軸はｍｍ単位であり９点が１画素の長さに相当し、縦軸は任意単位である。図３が示すように、投射画素の画素プロファイルは、元の矩形形状の画素プロファイルが画素プロファイル変形素子により矩形形状とは異なる画素プロファイルに変形されたために、従来の矩形形状の画素プロファイルの画素を投射した投射画素の投射画素プロファイルと場合と全く異なる形状をしており、このために従来の投射画素とは異なり、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させた「面とエッジの滑らかさ」が良好な画像の実現と、「解像度」の高い「鮮鋭性」の良好な画像を有する投射画像の実現とが可能となる。
【００７０】
このような画素プロファイル変形素子７により変形した画素プロファイルによる投射画素の画素プロファイルは、投射レンズ８をそのまま用いてスクリーン９面に設けたＣＣＤに直接投射する方法により測定した。また、画素プロファイル変形素子７により変形した画素プロファイル自体を同時に測定した。この測定に際しては、投射レンズ８のかわりに顕微鏡を配置して、この顕微鏡の結像面に設けたＣＣＤに入射させる方法により測定した。このとき、顕微鏡により測定した画素プロファイルは、投射レンズ８のＮＡと顕微鏡対物レンズのＮＡを、光学的に一致させることにより、同じ出射角で評価した。また、投射レンズ８のＭＴＦは、像高により変化するので、光軸で主に評価した。実際には、投射レンズ８のＭＴＦを必要な画素プロファイルの変形に併せて像高の影響も含めて最適に設計、評価することが好ましい。
【００７１】
＜実施の形態２＞
図４は、本発明の画素プロファイル変形素子１０をＬＣＯＳと一体化した実施の形態２の構成を示したものである。図４において、１１はシリコン基板、１２は液晶層、１３は中間基板、１４は接着剤層、１５はマイクロレンズ基板、１６はマイクロレンズ基板に形成された凸形状、１７、１８、１９は、各々図中の位置Ａ、Ｂ、及びＡ′における画素プロファイルに相当する光束の光強度分布である。
【００７２】
図４において、シリコン基板１１には、ＬＣＯＳのバックプレーンであり、ＣＭＯＳによるアクティブ素子と反射電極が画素毎に形成されており、ＩＴＯ（図示せず）を設けている中間基板１３とに挟まれた液晶層１２に電界を印加することにより、液晶層１２による偏光照明光と偏光分離手段を用いて画素単位での反射型空間光変調を行うことができる。また、マイクロレンズ基板１５に形成された凸形状１６を接着剤層１４を用いて中間基板１３と貼り合せることにより貼り合せ型のマイクロレンズが画素毎に形成されており、このマイクロレンズとシリコン基板１１上に形成した反射電極とにより画素プロファイル変形素子１０を構成している。
【００７３】
図４の左側より入射した点線で示される偏光照明光である入射光光束は、画素プロファイル変形素子１０に入射した位置である位置Ａにおいては、予め均一照明にされているので矩形形状の画素プロファイルを有する。この後、画素プロファイル変形素子１０を通過してシリコン基板１１の鏡面に入射した位置である位置Ｂにおいては、元の矩形形状の画素プロファイルが若干に変形されて丸みを帯びた画素プロファイル形状となる。さらに、このシリコン基板１１の鏡面で反射されて再び画素プロファイル変形素子１０に入射した位置である位置Ａ′においては、画素の周辺のエッジの相対光強度を小さくでき、かつ、そのときの半値全幅は元の画素の半値幅より小さくなるような画素プロファイルに変形される。この画素プロファイル変形素子１０を透過して出射光光束となった画素に対応した光束は、その後も空中像的に画素プロファイルはその光軸方向の位置により変化する。
【００７４】
このとき、この画素プロファイル変形素子１０と一体化したＬＣＯＳを、図１に示した実施の形態１のＬＣＯＳと交換し、かつ、マクロレンズ６と画素プロファイル変形素子７を省略し、かつ、投射レンズ８を交換した図４のＬＣＯＳとスクリーン９が共役となる結像関係の位置に配置することにより、矩形形状ではない画素プロファイルを有する画素を投射させた投射画素を得ることができ、図１の実施の形態１と同様に、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させた「面とエッジの滑らかさ」が良好な画像の実現と、「解像度」の高い「鮮鋭性」の良好な画像を有する投射画像の実現とが可能になる。
【００７５】
＜実施の形態３＞
図５（ａ）は、本発明の実施の形態３となる、本発明の画素プロファイル変形素子をＬＣＯＳと一体化した図１に示した実施の形態１の構成における画素プロファイル変形素子７を用いた場合の、スクリーン９上の投射画素からなる投射画像について光学設計評価ツールを用いて計算した結果の一例である。
【００７６】
図５（ａ）は、例えば、「薔薇」の文字を表示した投射画像を示し、縦方向に約３０の格子状模様が確認にでき、この一つの格子に対応したピッチが元のＬＣＯＳの画素ピッチに対応し、画素プロファイル変形素子７により画素プロファイルが変形された後、光軸シフト素子によりその光学的位置を時分割で変位させられると同時に、投射レンズ８により投射されてスクリーン９に投射画素を結像させる。このとき、フィールドは４つのサブフィールドにより合成され、光軸シフト素子は、２×２の画素数の４倍の増大を行う光軸シフト素子である。
【００７７】
図５（ａ）のスクリーン９上の投射画像は、また、図１に示したような構成に対して、試作機を製作して、スクリーン９面上に配置したＣＣＤ及び投射レンズ８の代わりに配置した顕微鏡とＣＣＤによる評価を行うと同時に、スクリーン９上での投射画素からなる投射画像を光学設計評価ツールを用いて計算により評価した。
【００７８】
光学設計評価ツールとしては、米国オプチカルリーサチアソシエート社のモンテカルロ法に基づくノンシーケンシャル光線追跡解析が可能なライツールズ（第３．２版）を用い、光線数は約２０〜５０万本とした（１ＧＨｚのＣＰＵを用いて約５０〜１００分間の計算量）。光線追跡は、計算の負担を減じるために、特定の領域の複数の画素についてのみ実行し、別途の自作の計算評価ツ−ルによりライトツールズで得られた評価結果をコンボルーションすることによりスクリーン面での広い領域での光強度分布を計算し、評価した。また、最高光強度値が一定値となるように正規化してあるが、このために平均値が一定であるとは限らない。モデリングに際しては、高圧水銀ランプの放出光の面積分布及び角度分布も考慮し、高圧水銀ランプは、ウシオ社の１５０Ｗ級のＤＣ放電ランプの値を基とし（アーク長１．１〜１．２ｍｍ）、さらに実験値との整合を図った。投射レンズは、実際に試作した投射レンズ以外にも、別途、米国オプチカルリーサチアソシエーション社のシーケンシャル光線追跡解析が可能なコード５（第８．６版）を用いて設計し、種々の評価を行った。
【００７９】
さらに、投射された画像に対する画像評価を、試作機による投射画像に対して直接に行うと同時に、光学設計評価ツールを用いて評価した投射画像を、ＵＸＧＡを表示可能なＬＣＤとＣＲＴを用いて、１０×１０画素〜２０×２０画素を一組の新たな１画素として、特定の画素プロファイルを有した画像として製作し、その観察位置を変化させながら、階調性を確保して画素プロファイルを保存したまま複数の観察者に対して、７６〜２００ｐｐｉの解像度に対応した状態で、主観評価を行った。
【００８０】
投射画像の画素プロファイル及びその投射の元となる画素プロファイルを変形された直後の画素プロファイルに対する数値評価としては、ＣＴＦと半値全幅（ＦＷＨＭ）を主とした評価値とした。画素プロファイルを変形した画素に対して光軸シフト素子よりその光学的位置を変位させる場合の半値全幅とＣＴＦの定義を、以下に記す。
【００８１】
図６は、半値全幅の定義を示すものである。図６において、第１〜第４のサブフィールドＳ１〜Ｓ４のうち、第１のサブフィールドの画素Ｓ１ａ，Ｓ１ｂが明表示（白表示）で、第４のサブフィールドの画素Ｓ４ａ，Ｓ４ｂは暗表示（黒表示）とし、画素Ｓ１ａから画素Ｓ４ｂを通過する一点鎖線位置のプロファイルの断面を図６（ｂ）に示している。このとき、半値全幅は画素ピーク強度の半分の値の幅Ｗを全てのサブフィールドが投射された画素周期Ｐで規格化した値（Ｗ／Ｐ）［％］で表すことにする。
【００８２】
図７は、ＣＴＦの定義の概念を示し、横軸は画素又は投射画素の光軸と垂直な方向の相対位置であり、縦軸は画素又は投射画素の光強度である。図７に示すように、空間光変調素子への画像入力がライン状に白、黒を繰り返す場合に、画素又は投射画像は黒レベルが浮き上がる。投射画像強度の最大値をＰ１、最小値をＰ０とすると解像性能を示すＣＴＦを ＣＴＦ＝（Ｐ１−Ｐ０）／（Ｐ１＋Ｐ０）＊１００［％］ ……（１）
と定義する。これは、空間伝達関数であるＭＴＦに対応するものであるが、元が空間光変調素子による矩形形状のライン＆スペースであることが、実際の空間周波数とそのフーリエ展開による成分の周波数とは異なる。
【００８３】
図８には、画素プロファイル変形素子と光軸シフト素子とを用いた場合のＣＴＦの定義を示す。図８中に実線で示すプロファイル１は第１のサブフィールドＳ１の画素Ｓ１ａ，Ｓ１ｂが明表示である時のプロファイルで、一点鎖線で示すプロファイル２は第４のサブフィールドＳ４の画素Ｓ４ａ，Ｓ４ｂのプロファイルである。画素Ｓ１ａの隣接画素に当たる画素Ｓ４ａと交わる部分（図８中の矢印部分）の強度を「裾野強度」と呼ぶことにし、以下、裾野強度は画素の最大強度で規格化した値とする。裾野強度が小さいほど投射画像のＣＴＦは高くなることになる。
【００８４】
このとき、図５（ａ）に示す投射画像は、ＣＴＦ４０かつ半値全幅５０である（％表記は省略）。図５（ａ）が示すように、１０画素及び１２画素という少ない画素数の平方からなる文字の解像度であるにもかかわらず、「薔薇」の字を容易に判読することができる、高い「解像度」と良好な「鮮鋭性」を有する投射画像であることが分かる。一方で、白地や黒線の連続性が一様であり、「面とエッジの滑らかさ」の良好な投射画像でもあることが分かる。
【００８５】
ちなみに、図５（ｂ）（ｃ）に比較例１，２を示す。図５（ｂ）（ｃ）は各々ＣＴＦ４０かつ半値全幅３０、及び、ＣＴＦ４０かつ半値全幅８０の場合の、実施の形態１に相当する投射画像である。実施の形態１の結果を示す図５（ａ）と、比較例１，２を示す図５（ｂ）（ｃ）とを比較して分かるように、実施の形態１が比較例１，２よりも、高い「解像度」と良好な「鮮鋭性」を有すると同時に、「面とエッジの滑らかさ」が良好な投射画像であることが分かる。
【００８６】
＜参考例１＞
図９（ａ）は、投射画像の画像品質に対する主観評価の項目を説明するための投射画像の一例となる参考例１である。図９（ａ）は、図１に示した本実施の形態１の構成により投射した画素プロファイル変形素子７と光軸シフト素子を組み合わせた場合のスクリーン９面に配置したＣＣＤで測定した投射画像の一例である。図９（ａ）において、「Ｒ」（＋「Ｉ」）の文字を、通常の画像評価に用いた黒文字ではなく、説明のため、ビーム形状をみやすくするために、白黒反転の白文字で表示した場合を表示させたものを表示した。この「Ｒ」文字は、画素プロファイル変形素子により元の画素ピッチの約１／３の半値全幅となるよう画素プロファイルを変形させ、かつ、２×２の光軸シフト素子により、画素数が２×２倍の４倍となる高解像度化を実現している。
【００８７】
このとき、光軸シフト素子を用いない１６画素の画素数の平方の画素数からなる文字と比較して、２倍の３２画素の平方の画素数により「Ｒ」を表示しているので、この投射画像は、高い「解像度」であり、かつ、「鮮鋭度」の良好な投射画像である。しかしながら、画素の半値全幅が小さいために、「Ｒ」を構成する太い白線に「面の滑らかさ」が欠ける点で視認性が若干に劣る投射画像である。同様に、「エッジの滑らかさ」も階調制御により改善しているものの若干に不十分な投射画像である。ただし、このような不具合は、ＣＴＦを変化させることで、改善できる範囲ではある。
【００８８】
＜参考例２＞
図９（ｂ）は、投射画像の画像品質に対する主観評価の項目を説明するための投射画像の他の一例となる参考例２である。図９（ｂ）は、図１に示したような本実施の形態１の構成中から画素プロファイル変形素子７と光軸シフト素子を省略して投射した場合のスクリーン９面に配置したＣＣＤで測定した投射画像の一例である。図９（ｂ）において、「Ｒ」（＋「Ｉ」）の文字が、１６画素の画素数の平方の画素数からなる文字により表示されているので、低い「解像度」と「鮮鋭度」が劣化しているのは当然ながら、矩形形状の画素を投射しているので、十分に遠くから観察して評価したとしても、「カタサ」、「ジャギー」が目立つ画像である。ただし、白地及び黒字に関しては十分に良好な「面の滑らかさ」を有する。
【００８９】
＜実施の形態４＞
表１に、実施の形態３の図５と同様に、評価用の投射画像を計算及び実験により形成し主観評価した場合の総合結果を示す。評価用の投射画像は、画素プロファイル変形素子の光学特性を変化させると同時に、投射レンズの位置や特性も変化させて、最適化した上で評価した。
【００９０】
【表１】
0004464947.tif 000002
【００９１】
表１において、◎は最良、○良、△可、×不可を示し、−は未評価を示す。主観評価は、評価用の投射画像を１０人の観察者に対して系列範疇法である５段階の尺度をもとに行い、４．５以上を◎、４以上を○、３以上を△、３未満を×とした。５段階の尺度としては、非常によい、よい、普通、悪い、非常に悪い、の尺度を用い、主に画像の「面と線の滑らかさ」に関する指標である画像の「ジャギー」、「カタサ」、また主に画像の「解像度」に関する指標である画像の「鮮鋭度」、さらには「粒状感」に関して複数の評価を行った。
【００９２】
実施の形態４は、画素数を４倍（縦２倍，横２倍）にする場合に関する結果であるが、画素数を９倍（縦３倍，横３倍）にした場合、この値では大きくなってしまう。なぜなら、プロファイルが裾野を引いた形状であるため、画素間で重なりが生じ、ＣＴＦが劣化し、画質が劣化するからである。光軸シフト素子により光軸をシフトする水準が、２つ以外で、３つ以上のｎ個である場合は、０．７×２／３倍の画素サイズ縮小率であることが好ましい。これにより、２倍の光軸シフトと同様のコンボルーションの画像を得ることができ、３倍及び４倍の光軸シフトにおいても、隣接する画素間のクロストークによる解像度の劣化を低減することができる。
【００９３】
表１から分かるように、矩形形状でない画素プロファイルに画素プロファイルを変形した場合には、半値全幅が最大で７０の場合でも良好な投射画像が得られることが分かる。また、ＣＴＦが４０％以上であっても良好な投射画像が得ることが分かる。より好ましくは、ＣＴＦが４０％以上８０％以下であり、さらに好ましくはＣＴＦが５０％以上７０％以下である。また、半値全幅が最大で７０％以下、かつ、ＣＴＦが５０％以上の場合には非常に良好な投射画像が得られることが分かる。また、表１には記載していないが、半値全幅を５０％より大きくすることにより、画像品質はほとんど劣化させないながらも光利用効率を大きく向上することができるので、半値全幅が５０％より大きいことは、明るい画像を得る点からより好ましい。
【００９４】
＜実施の形態５＞
図４に示した構成のＬＣＯＳと一体となったマイクロレンズアレイによる画素プロファイル変形素子１０の場合に、透明基板１１の厚さをｔ、曲率半径をｒとし、接着剤層１４は屈折率１．４で厚さは４μｍとした。より詳細には表２のモデルＡが本実施の形態５である。この画素縮小光学系を用いたときの投影面上のＣＴＦ及び半値全幅、光学系の光利用効率を光線追跡シミュレーションで求めた。以下の比較例であるモデルＢ，Ｃも表２に記載する。
【００９５】
【表２】
0004464947.tif 000003
【００９６】
比較例のモデルＢ，Ｃは、投射面での画素が半分、即ち、半値全幅が５０％程度となる画素プロファイル変形素子である以外は、実施の形態５と同様である。モデルＢ，Ｃに比べるとモデルＡは光利用効率が同じ位にもかかわらず解像性能を表すＣＴＦが高いことが分かる。また、半値全幅が５０％より大きくても良いということは画素縮小光学系設計への負担が減り、従って、解像性能と光利用効率をともに高めることができる。
【００９７】
＜実施の形態６＞
図４の構成において、マイクロレンズ（凸形状１６）と透明基板１１の屈折率ｎと、透明基板１１の厚さｔと、マイクロレンズ（凸形状１６）の曲率半径ｒを表３のモデルＤに記載の画素縮小光学系とする。この実施の形態において画素縮小光学系の光利用効率は８３％程度ある。比較例として表３にモデルＢ，Ｃのデータも併記している。表３と表１とから、投射画像の解像性能（ＣＴＦ）が必ずしも高くなくても良好な投射画像が得られ、ＣＴＦと光利用効率はトレードオフの関係にあるため、ＣＴＦが４０％以上であれば低めの性能に抑えておけば光学系の光利用効率が高い投射画像表示装置を提供できる。
【００９８】
【表３】
0004464947.tif 000004
【００９９】
＜実施の形態７＞
本実施の形態では、半値全幅７０％以内、かつ、裾野強度ＣＴＦ≧５０％の場合について説明する。
【０１００】
図４の構成において、マイクロレンズ（凸形状１６）と透明基板１１の屈折率ｎと、透明基板１１の厚さｔと、マイクロレンズ（凸形状１６）の曲率半径ｒを表４のモデルＦに記載の画素縮小光学系とする。モデルＦは投射画素プロファイルの半値全幅が７０％以内で投射画像のＣＴＦ≧５０％を満たす一例である。
【０１０１】
比較例として、表４にモデルＧを併記する。モデルＧでは半値全幅が７０％以上となる例で縮小効果が小さい分、光利用効率が高いが、その反面、投射画像の解像性能ＣＴＦが非常に小さくなる。
【０１０２】
投射画像のＣＴＦが５０％ということは、式１よりＰ０／Ｐ１＝０．３３、即ち、隣接画素と交わる部分の相対強度が３３％であることを示す。従って、本実施の形態のように、半値全幅が７０％以内、かつ、裾野強度が３３％以内となるプロファイルが得られる光学系によって、投射面上で解像性能と光利用効率のバランスの良い投射画像表示装置が得られる。
【０１０３】
より好ましくは、半値全幅が３０％から７０％以内で、裾野強度が３３％以内であることが望ましい。この条件ではジャギーも目立ちにくくなる。
【０１０４】
【表４】
0004464947.tif 000005
【０１０５】
＜実施の形態８＞
図１０に、矩形状の画素プロファイルの画素を、画素の中心付近に凹形状を有する画素プロファイルに変形した画素プロファイルの一例を、実施の形態８として示す。本実施の形態においてスクリーンに投射された各画素のプロファイルは図１０に示すように、画素の周辺、即ち、同図横軸の相対位置となる−０．１以上及び０．１未満で強度が落ち込んでいる。光軸シフト素子によって画素をずらし、最大空間周波数となる画像、即ち、隣接画素がＯＮ，ＯＦＦを繰り返す表示画像の場合、スクリーンでのプロファイルを計算すると図１１に示す通りになる。投射される一画素のプロファイルの周辺強度が低下する場合、最大空間周波数となる画像を表示しても良好な画像が得られる。
【０１０６】
矩形状でない上に、中央部に凹がある特殊な形状の画素プロファイルを、元の画素又はスクリーン上の画素で実現し、かつ、その形状を適切に制御することにより、より高い解像度と滑らかな画像による良好な視認性、さらには高い光利用効率を実現することができる。
【０１０７】
これは、２山の形状と同じであるが、両端に強いパワーが配分されており、元の画素の光強度がエッジと画素中央の両端側で、かつ、エッジよりも内側に集中されていることになる。さらには、１つの画素の中央部の凹部の与える空間周波数は高く、投射レンズのＭＴＦや観察者のＭＴＦが小さい空間周波数となり、ＣＣＤでは測定できるが、実際の主観評価では視認性が低く、その点は問題とならない。このため、従来の矩形状よりは、エッジの肩の部分が曲率を有しているので、隣接した画素間が重なったとしても、エッジが立ち上がって、視認性が悪くなることもない。一方、従来の矩形プロファイルの場合のように、２つの山のピークが画素の輝度の平坦な視認性を与え、かかる凹は小さすぎて判断できないので、重ならない画素部分は平坦な輝度の良好な画素と視認される。さらに、中央部の凹部の光エネルギーが、２つの山部分となり、光軸シフトした場合の重ならない画素間の隣接部分のエッジ付近とすることより、滑らかさと同時に、鮮鋭さも実現して、高い解像度を実現できる。また、矩形画投射レンズによりなまると、中央部を凸として、両肩のエッジが落ちて、正弦的になる傾向に対して、２つ山の凹部がある画素プロファイルは、両肩のエッジが落ちる比率に対して、中央部が凸になる比率が、小さく、ＭＴＦ劣化の影響を受けにくい。
【０１０８】
図１２（ａ）（評価○）、図１２（ｂ）（評価○）、図１２（ｃ）（評価△）、は本発明の実施の形態３の場合と同様に、画素プロファイル変形素子をＬＣＯＳと一体化した図１に示した実施の形態１の構成における画素プロファイル変形素子７を用いた場合の、スクリーン９上の投射画素からなる投射画像を光学設計評価ツールを用いて計算した結果の一例である。図１２（ａ）（ｂ）を直接に比較すると、「解像度」及び「鮮鋭度」はほぼ同じであるが、白地の滑らかさでは図１２（ａ）の方がより良好であり、凹形状を有する方が、同じＣＴＦでは「面の滑らかさ」を良好にすることができることが分かる。これは、解像度が劣化するものの、図１２（ｃ）でも同様である。
【０１０９】
表５に、実施の形態４の表１の場合と同様に、評価用の投射画像を計算及び実験により形成し主観評価した場合の総合結果を示す（最良及び良好な画像と評価される「凹部」強度の下限値［％］）。表５において、評価用の投射画像は、画素プロファイル変形素子の光学特性を変化させると同時に、投射レンズの位置や特性も変化させて、最適化した上で評価した。
【０１１０】
【表５】
0004464947.tif 000006
【０１１１】
このとき、表５に示されるように、凹部の強度は、好ましくは、ピーク強度の４０％以上であれば良好な画像が得られる。さらに、より好ましくは、ピーク強度の８０％となるように投射画素プロファイルとすると高解像で光利用効率の高い投射画像表示装置となる。しかしながら、逆にピーク強度が１００％であると、「画像の滑らかさ」が劣化する。このため、ピーク強度は、９５％以下であることが好ましく、より好ましくは９０％以下であり、さらにより好ましくは８０％以下である。
【０１１２】
＜実施の形態９＞
先述の画素プロファイルのシミュレーション結果（表５）から、画素プロファイルは、半値全幅が概ね６０％以内であれば画素中央の凹みをもっていても良好な投射画像が得られる。さらに、中央の凹み部分が最大強度の８０％程度の画素プロファイルの場合には、半値全幅が７０％以内でも良好な投射画像が得られる。
【０１１３】
本実施の形態９では、一実施例として、図４の構成におけるマイクロレンズ（凸形状１６）と透明基板１１の屈折率を１．７５、透明基板１１の厚さを１５μｍ、マイクロレンズ（凸形状１６）の曲率半径を１０μｍとして、１画素又は１ラインを表示したときの投射面上のプロファイルを光線追跡計算によって調べた。図１０はこの結果を示す。図１０は横軸が投射面上の位置、縦軸は投射画像の強度を表している。本実施例で投射面上の画像は表６に示す特性が得られる。画素中央の強度はピークの５６％程度である。好ましくは、画素中央の強度はピークの４０％以上となる凹形状のプロファイルであれば、ウォブリングをした時の最大空間周波数となる画像で、より良好な画像が得られる。
【０１１４】
【表６】
0004464947.tif 000007
【０１１５】
これまでの比較例等と比べて遜色無い特性が得られる。また、表５の結果から、投射画像の半値全幅が５０％程度であれば隣接画素と交わる部分の強度に左右されず、画素中心付近の強度は０まで落ち込んでいても良いことになる。
【０１１６】
＜実施の形態１０＞
本実施の形態１０としては、表２中のモデルＡ、表３中のモデルＤ、表４のモデルＦ、表６中のモデルＨに示すマイクロレンズアレイを画素縮小光学系として用いたものであり、これによって、良好な投射画像が得られる。各実施の形態では空間光変調器の近傍や空間変調器そのものに画素縮小光学系を設置しているが、特にこれらの構成にこだわる必要は無く、マイクロレンズアレイと空間光変調器の間にマクロレンズを配置した構成であっても良い。
【０１１７】
＜実施の形態１１＞
図１３に本発明の実施の形態１１の構成例を示す。本実施の形態の画素プロファイル変形手段２１は、図１３に示すように、画素縮小光学系に空間光変調器の画素ピッチに対応した屈折率分布型レンズアレイ２２を用いて構成したものである。２３は液晶層、２４は平坦化層、２５はバックプレーンである。投射画素のプロファイルが前述した各実施の形態の場合と同様な範囲になるように屈折率分布型レンズアレイ２２を設計することによって、良好な画像が得られる。本実施の形態の場合も、空間光変調器と屈折率分布型レンズアレイ２２との間にマクロレンズを配置した構成であっても良い。
【０１１８】
＜実施の形態１２＞
図１４に本発明の実施の形態１２の構成例を示す。本実施の形態の画素プロファイル変形手段３１は、図１４に示すように、空間光変調器として反射型液晶素子を用いており、透明基板３２と液晶層３３とバックプレーン３４からなり、バックプレーン３４は液晶を駆動するためのＴＦＴなどが集積されている。従来の反射型液晶素子（特にＬＣＯＳと呼ばれる液晶素子）ではバックプレーンの最表層は反射板である。本実施の形態１２ではこの反射板が凹面ミラーアレイ３５で構成され、凹面ミラーアレイ３５と液晶層３３とは平坦化層３６を介して構成される。液晶素子の構成要素として、透明電極、配向膜などが適宜必要であるが、画素縮小光学系の説明のためにはこれらの詳細な説明は不要であるため図１４では省略している。
【０１１９】
図１４において、平坦化層３６の屈折率を１．５２とし、凹面ミラーアレイ３５の曲率半径を１５０μｍとする。液晶層３３の厚さや透明基板３２の厚さは本実施の形態の効果に大きな影響を及ぼさないため、説明を省略する。本実施の形態１２の構成で光線追跡計算したところ表７に示す特性が得られた。表１、表７の結果から、本実施の形態１２によれば、高効率で、高解像な投射画像が得られることが分かる。
【０１２０】
【表７】
0004464947.tif 000008
【０１２１】
＜実施の形態１３＞
図１５は本発明の実施の形態１３の構成例を示し、画素縮小光学系を開口アレイにより構成したものである。即ち、本実施の形態１３は、空間光変調器４１として反射型液晶素子を用いており、画素縮小光学系が液晶層４２部分もしくは液晶層４２近傍に開口４３を制限する遮蔽部４４及びマイクロレンズ４５とで構成される。４６は透明基板、４７はバックプレーンである。通常、液晶素子は開口率を高くする工夫がなされているが、本実施の形態では逆に開口率を積極的に下げることで空間光変調器４１自体の画素の大きさを小さくする。
【０１２２】
表８は遮蔽部４４の面積を変えて３通り計算した結果である。開口率を６０％にすれば投射画像の解像性能を示すＣＴＦは１００％、即ち、ウォブリングされた隣接画素と交わらない。
【０１２３】
【表８】
0004464947.tif 000009
【０１２４】
本実施の形態１３の投射画素プロファイルの半値全幅は７８％程度であり、表１によると良好ではない画像（半値全幅が８０％以上）に近い。しかし、表８でＣＴＦが高いため、高解像度な画像が得られる。
【０１２５】
本発明によれば、光軸シフト素子を用いて画素の増大を図り高解像度化する投射画像表示装置において、「解像度」と「鮮鋭性」を確保し、かつ、「カタサ」、「ジャギー」、及び、「画像不連続性」を低減させることにより「面とエッジの滑らかさ」を実現し、さらには光利用効率の向上させた明るい投射画像表示装置を実現できる。
【０１２９】
また、本発明によれば、光軸シフトした場合の最隣接画素の中心付近へのクロストークの影響をより減少させることができると同時に画素のエッジ付近の相対光強度をより減少させることができるので、光軸シフトした場合の隣接画素間の重なりの影響をより一層低減させることができ、画像の「鮮鋭性」と「面とエッジの滑らかさ」とを同時、かつ、さらにより一層向上させ得る投射画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】本発明の実施の形態１を示す投射画像表示装置の概要図である。
【図２】その画素縮小素子の構成例を示す概要図である。
【図３】非矩形形状の投射画素プロファイルの一例を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態２の画素プロファイル変形素子の構成を示す概要図である。
【図５】本発明の実施の形態３の評価結果を比較例と併せて示す説明図である。
【図６】半値全幅とＣＴＦに関する説明図である。
【図７】ＣＴＦの定義の概念に関する説明図である。
【図８】画素プロファイル変形素子と光軸シフト素子とを用いた場合のＣＴＦの定義に関する説明図である。
【図９】投射画像の画像品質に対する主観評価の項目を説明するための投射画像の一例を参考例１，２として示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態８の画素プロファイルの一例を示す特性図である。
【図１１】スクリーン上でのプロファイルを計算した結果を示す特性図である。
【図１２】投射画像の画像品質に対する主観評価の項目を説明するための投射画像の一例を示す説明図である。
【図１３】本発明の実施の形態１１の画素プロファイル変形手段の構成例を示す概要図である。
【図１４】本発明の実施の形態１２の画素プロファイル変形手段の構成例を示す概要図である。
【図１５】本発明の実施の形態１３の空間光変調器の構成例を示す概要図である。
【図１６】従来例を示す斜視図である。
【図１７】その作用・効果を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【０１３８】
４ 表示素子
７ 画素プロファイル変形手段
８ 投射手段
１０ 画素プロファイル変形手段
２１ 画素プロファイル変形手段
２２ 屈折率分布型レンズアレイ
３１ 画素プロファイル変形手段
３５ 凹面ミラーアレイ
【図１】
0004464947.tif 000010
【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】
0004464947.tif 000019
【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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