JP2009265120A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示画像面内において高いコントラストを実現することが可能な投射型表示装置を提供する。
【解決手段】投射型表示装置１は、光源１０、照明光学系２０、照明用光変調素子３０、リレー・色分解光学系４０、表示用光変調素子５０、合成光学系６０、投射レンズ７０および信号処理回路９０を備えている。照明用光変調素子３０により、光源１０からの光が画像信号Ｄ０の輝度成分である白黒画像信号Ｄ１に基づいて変調され、照明用の画像光Ｌ３が生成される。画像光Ｌ３は、リレー・色分解光学系４０により３色の画像光Ｌ４Ｒ，Ｌ４Ｇ，Ｌ４Ｂに分解されたのち、表示用光変調素子５０において、画像信号Ｄ０に対応した原色画像信号Ｄ２に基づいてそれぞれ変調され、表示用の画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂとなる。画像光Ｌ３を照明光とすることで、画像光Ｌ３の輝度分布が重畳されて画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂが形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像を投射して表示する投射型表示装置に関する。

投射型表示装置では、光源からの光を、画像信号に基づいて、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）などの光変調素子を用いて変調することにより画像を生成し、生成した画像をスクリーンなどに投射して表示が行われる。一般に、投射型表示装置では、高コントラストの実現が望まれており、例えば偏光ビームフィルタを設けることでコントラストを向上させる手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、光源と光変調素子との間に、入力画像信号に同期させて制御することが可能な絞りを設け、表示画像の輝度レベルを時系列的に変化させてコントラストを改善する試みがなされている。
特開２００６−５３２１４号公報

しかしながら、上記のような絞りを用いた手法は、画像全体の時系列的なコントラストを向上させるだけにすぎず、一枚の画像面内におけるコントラストについては改善することが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、表示画像面内において高いコントラストを実現することが可能な投射型表示装置を提供することにある。

本発明の投射型表示装置は、光源と、入力された画像信号に基づいて光源からの光を変調することにより第１の画像光を生成する第１の光変調素子と、画像信号に基づいて第１の画像光を変調することにより第２の画像光を生成する第２の光変調素子と、第２の光変調素子で生成された第２の画像光を投射する投射レンズとを備えたものである。

本発明の投射型表示装置では、第１の光変調素子により、光源からの光が画像信号に基づいて変調され、第１の画像光が生成される。この第１の画像光が、第２の光変調素子において変調されることにより、第１の画像光の輝度分布が重畳されて第２の画像光が生成される。生成された第２の画像光が、投射レンズにより投射されることにより表示がなされる。

このとき、第１および第２の画像光がほぼ等しい画像を形成し、かつ第１および第２の光変調素子が画像信号に対して同期して駆動されることが望ましい。すなわち第１および第２の画像光が互いに同等の面内輝度分布を有することが望ましい。

本発明の投射型表示装置によれば、画像信号に基づいて光源からの光を変調することにより第１の画像光を生成する第１の光変調素子と、この第１の画像光を変調することにより第２の画像光を生成する第２の光変調素子とを設けるようにしたので、第２の光変調素子そのものが有するコントラストに、更に第１の光変調素子の有するコントラストを乗じたものが最終的に表示される画像光のコントラストとなる。よって、表示画像面内において高いコントラストを実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る投射型表示装置１の概略構成を表すものである。投射型表示装置１は、光源１０、照明光学系２０、照明用光変調素子（第１の光変調素子）３０、リレー・色分解光学系４０、表示用光変調素子（第２の光変調素子）５０、合成光学系６０、投射レンズ７０および信号処理回路９０を備えている。

光源１０は、例えば白色光を発するものであり、照明光学系２０は、光源１０からの光束Ｌ１の形状や輝度分布、偏光状態などを最適化するものである。

照明用光変調素子３０は、後述の白黒画像信号Ｄ１に基づいて、照明光学系２０からの光束Ｌ２を２次元的に変調するものであり、これにより表示用光変調素子５０の照明光としての画像光Ｌ３を生成する。この照明用光変調素子３０は、表示用光変調素子５０と光学的に共役となる位置もしくはこの位置の近傍に配置されている。また、照明用光変調素子３０は複数の画素が２次元的に配列してなり、その画素数は、表示用光変調素子５０の画素数と同数以下となっている。また、照明用光変調素子３０は、その画素数に拘わらず、入力画像信号Ｄ０に対して、表示用光変調素子５０と同期して駆動され、表示用光変調素子５０で生成される画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂ（後述）と概略同一の画像が形成されるようになっている。

リレー・色分解光学系４０は、照明用光変調素子３０からの白色の画像光Ｌ３を赤色（Ｒ：Red）、緑色（Ｇ：Green）および青色（Ｂ：Blue）３色の色光Ｌ４Ｒ，Ｌ４Ｇ，Ｌ４Ｂに分解しつつ、各色光を赤色光変調素子５０Ｒ、緑色光変調素子５０Ｇおよび青色光変調素子５０Ｂのそれぞれに導くための光学系である。また、このリレー・色分解光学系４０により、照明用光変調素子３０と表示用光変調素子５０とがほぼ共役の配置となる。

表示用光変調素子５０は、例えば赤色光変調素子５０Ｒ、緑色光変調素子５０Ｇおよび青色光変調素子５０Ｂからなり、後述の原色画像信号Ｄ２（赤色画像信号Ｄ２Ｒ，緑色画像信号Ｄ２Ｇ，青色画像信号Ｄ２Ｂ）に基づいて、３色の色光Ｌ４Ｒ，Ｌ４Ｇ，Ｌ４Ｂごとに表示用の画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂを生成するものである。

合成光学系６０は、例えばクロスダイクロプリズムなどの色合成プリズムにより構成され、上記３色の画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂを合成するためのものである。投射レンズ７０は、合成光学系６０により合成された画像光Ｌ６をスクリーン８０上に拡大投射するものである。

信号処理回路９０は、入力された画像信号Ｄ０に基づいて、白黒画像信号Ｄ１と原色画像信号Ｄ２（Ｄ２Ｒ，Ｄ２Ｇ，Ｄ２Ｂ）とを生成し、白黒画像信号Ｄ１を照明用光変調素子３０に、原色画像信号Ｄ２を表示用光変調素子５０にそれぞれ出力するものである。白黒画像信号Ｄ１は画像信号Ｄ０の輝度成分（Ｙ）、原色画像信号Ｄ２は画像信号Ｄ０に対応した赤色（Ｄ２Ｒ）、緑色（Ｄ２Ｇ）および青色（Ｄ２Ｂ）の画像信号から構成されている。以下、上記のような投射型表示装置１の各構成要素について具体的に説明する。

図２は、本実施の形態の投射型表示装置１の一具体例を表すものである。

光源１０は、例えば発光体と凹面鏡（反射鏡）とを含んで構成されている。発光体としては、可視光の全波長領域に亘って連続な発光スペクトルを有するランプ、例えば、ＵＨＰランプなどの超高圧水銀ランプが用いられる。この他に、メタルハライド系のランプ、高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、蛍光ランプなどを用いてもよい。凹面鏡は、できるだけ集光効率の高い形状、例えば、楕円面鏡（楕円ＲＥＦ）や放物面鏡（パラボラＲＥＦ）であることが望ましい。

照明光学系２０は、光源１０の側から順に、例えばフライアイレンズ部２０１と、ＰＳコンバータ２０２と、コンデンサレンズ２０３，２０４とが配置されたものである。フライアイレンズ部２０１は、光源１０からの光束を拡散させ、面内輝度分布を均一化するためのものである。フライアイレンズ部２０１によって輝度分布が均一となった光束は、ＰＳコンバータ２０２により偏光方向が整えられ、コンデンサレンズ２０３，２０４により、照明用光変調素子３０に向けて集光される。

照明用光変調素子３０は、例えば透過型の液晶パネル３００の光入射側および光出射側に、偏光板３０１，３０２がそれぞれ設けられた光変調素子である。液晶パネル３００は、複数の画素を２次元的に配列させてなり、一対の基板間に液晶層を封止した構成となっている。駆動時には、基板間に白黒画像信号Ｄ１に応じた電圧が画素単位で印加され、光透過率が制御される。これにより、２次元的に変調がなされた照明用の画像光が生成されるようになっている。

リレー・色分解光学系４０は、リレーレンズ４０１〜４０４およびミラー４０５〜４０９を備えている。ミラー４０５〜４０９としては、全反射ミラーや色光を選択的に透過もしくは反射させるダイクロイックミラーが用いられる。なお、ダイクロイックミラーの代わりに色分解プリズムを用いるようにしてもよい。

赤色光変調素子５０Ｒ、緑色光変調素子５０Ｇおよび青色光変調素子５０Ｂはそれぞれ、反射型の光変調素子であり、リレー・色分解光学系４０側からの光を各色画像信号に基づいて変調させつつ反射させることにより、光入射側と同一の側へ画像光を出射するようになっている。赤色光変調素子５０Ｒは、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）などの反射型の液晶パネル５００Ｒを有してなり、赤色光変調素子５０Ｒの光入射側（リレー・色分解光学系４０の側）および光出射側（合成光学系６０の側）には、偏光板５０１ａ，５０１ｂがそれぞれ設けられている。このような液晶パネル５００Ｒと各偏光板５０１ａ，５０１ｂとの間の光路上には、光軸に対して４５°の角度をなすようにワイヤーグリッド偏光板５０２が設置されている。ワイヤーグリッド偏光板５０２は、一方の偏光成分（例えばｓ偏光）を透過させ、他方の偏光成分（例えばｐ偏光）を反射させることができるようになっている。

上記赤色光変調素子５０Ｒと同様、緑色光変調素子５０Ｇは、反射型の液晶パネル５００Ｇ、偏光板５０３ａ，５０３ｂおよびワイヤーグリッド偏光板５０４、青色光変調素子５０Ｂは、反射型の液晶パネル５００Ｂ、偏光板５０５ａ，５０５ｂおよびワイヤーグリッド偏光板５０６により構成されている。

次に、本実施の形態の投射型表示装置１の作用・効果について、図１および図２を参照して説明する。

投射型表示装置１では、光源１０から射出された光束Ｌ１は、照明光学系２０を通過することにより偏光方向の揃った均一な光束Ｌ２とされたのち、照明用光変調素子３０に入射する。一方、信号処理回路９０に、画像信号Ｄ０が入力されると、白黒画像信号Ｄ１と原色画像信号Ｄ２に分離され、白黒画像信号Ｄ１は照明用光変調素子３０、原色画像信号Ｄ２は表示用光変調素子５０にそれぞれ出力される。このとき、原色画像信号Ｄ２は、赤色画像信号Ｄ２Ｒ，緑色画像信号Ｄ２Ｇおよび青色画像信号Ｄ２Ｂの３色成分に分けられ、それぞれ赤色光変調素子５０Ｒ、緑色光変調素子５０Ｇおよび青色光変調素子５０Ｂに向けて出力される。但し、信号処理回路９０に入力された画像信号Ｄ０に対して、照明用光変調素子３０と表示用光変調素子５０とはそれぞれ同期して駆動され、照明用光変調素子３０と表示用光変調素子５０とには、ほぼ同等の画像が形成される。

照明用光変調素子３０では、光束Ｌ２が、信号処理回路９０より入力された白黒画像信号Ｄ１に基づいて２次元的に変調される。これにより、画像信号Ｄ０の白黒画像（グレースケール画像）に対応した画像光Ｌ３が生成される。生成された画像光Ｌ３は、リレー・色分解光学系４０を経ることにより、３色の光Ｌ４Ｒ，Ｌ４Ｇ，Ｌ４Ｂに分解されて、赤色光変調素子５０Ｒ、緑色光変調素子５０Ｇおよび青色光変調素子５０Ｂにそれぞれ入射する。

赤色光変調素子５０Ｒ、緑色光変調素子５０Ｇおよび青色光変調素子５０Ｂでは、上述したように、信号処理回路９０から入力された赤色画像信号Ｄ２Ｒ，緑色画像信号Ｄ２Ｇおよび青色画像信号Ｄ２Ｂに基づいて、光Ｌ４Ｒ，Ｌ４Ｇ，Ｌ４Ｂが色ごとに変調され、表示用の３色の画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂが生成される。

このとき、赤色光変調素子５０Ｒでは、リレー・色分解光学系４０側から入射した画像光Ｌ４Ｒは、例えばｓ偏光として光入射側の偏光板５０１ａを通過した場合、ワイヤーグリッド偏光板５０２をそのまま透過して液晶パネル５００Ｒに入射する。そして、液晶パネル５００Ｒにおいて生成された画像光Ｌ５Ｒは、偏光方向が９０°回転し、ｐ偏光として出射する。このため、液晶パネル５００Ｒから出射した画像光Ｌ５Ｒは、ワイヤーグリッド偏光板５０２において反射され、偏光板５０１ｂを通過して、合成光学系６０に入射する。緑色光変調素子５０Ｇおよび青色光変調素子５０Ｂにおいても、上記赤色光変調素子５０Ｒ同様に、ワイヤーグリッド偏光板５０４，５０６によって光路変換がなされ、画像光Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂが合成光学系６０に入射する。また、このようなワイヤーグリッド偏光板を用いることにより、反射もしくは透過による光損失を抑制でき、コントラストの向上に有利となる。

合成光学系６０に入射した画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂは、この合成光学系６０において、合成されて画像光Ｌ６となり、投射レンズ７０によってスクリーン８０上に画像光Ｌ７として拡大投射される。

以上説明したように、本実施の形態では、光源１０と、原色画像信号Ｄ２に基づいて表示用の画像を生成する表示用光変調素子５０との間に照明用光変調素子３０を設け、この照明用光変調素子３０において、白黒画像信号Ｄ１に基づいて光源からの光を変調するようにしたので、画像信号Ｄ０の白黒画像、すなわち輝度成分を抽出した画像光Ｌ３が表示用光変調素子５０の照明光となる。具体的には、画像光Ｌ３がリレー・色分解光学系４０により各色に分解され、画像光Ｌ４Ｒ，Ｌ４Ｇ，Ｌ４Ｂとして表示用光変調素子５０の各色光変調素子をそれぞれ照明することとなる。よって、表示用光変調素子５０では、色光ごとに、画像光Ｌ３（画像光Ｌ４Ｒ，Ｌ４Ｇ，Ｌ４Ｂ）における輝度分布に重畳させて画像光Ｌ５Ｒ，Ｌ５Ｇ，Ｌ５Ｂを生成することができる。これにより、表示用光変調素子５０そのものが有するコントラスト値に、更に照明用光変調素子３０の有するコントラスト値を乗じたものが最終的に表示される画像光Ｌ６（Ｌ７）のコントラストとなる。よって、表示画像面内において高いコントラストを実現することが可能となる。

例えば、表示用光変調素子５０（５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂ）のコントラストが５００：１で、照明用光変調素子３０のコントラストも同じく５００：１の場合、システム全体のコントラストは５００×５００＝２５００００、すなわち２５００００：１となる。よって、５００倍ものコントラスト向上が見込まれる。なお、照明用光変調素子３０および表示用光変調素子５０そのものが持つコントラストは互いに同一でなくともよい。

ここで、照明用光変調素子３０が表示用光変調素子５０と光学的に共役となる位置に配置され、それぞれの画素数が等しい場合には、照明用光変調素子３０と表示用光変調素子５０との間で画素間の溝がちょうど重なり、照明用光変調素子３０の画素間の溝が画像光Ｌ５に映り込むことはない。但し実際には、完全に共役の関係をつくり出すことは原理上難しく、画素間の溝が画像光Ｌ５に映り込む虞がある。そこで、照明用光変調素子３０の画素数を、表示用光変調素子５０の画素数以下とすることにより、照明用光変調素子３０における画素間の溝が表示用光変調素子５０に映り込むことを抑制することができる。

あるいは、照明用光変調素子３０が表示用光変調素子５０と光学的に共役となる位置の近傍に配置するようにしてもよく、このように構成した場合には、照明用光変調素子３０における画素間の溝をぼかすことができ、表示用光変調素子５０への映り込みによる影響を小さくすることができる。

なお、照明用光変調素子５０の光出射側に、光拡散層を設けるようにしてもよい。このような構成によっても、上記のような照明用光変調素子３０における画素間の溝をぼかすことができる。但し、光拡散層は、照明用光変調素子５０の偏光板３０２の光入射側に配置してもよく、光出射側に配置してもよい。

次に、本発明の変形例について図面を参照して説明する。なお、以下では、上記実施の形態に係る投射型表示装置１と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（変形例１）
図３は、変形例１に係る投射型表示装置２の全体構成を表すものである。この投射型表示装置２は、リレー・色分解光学系４１と表示用光変調素子５１の構成以外は、上記投射型表示装置１と同様の構成となっている。

リレー・色分解光学系４１は、リレーレンズ４１１〜４１５およびミラー４１６〜４２０を備えている。ミラー４１６〜４２０としては、全反射ミラーや色光を選択的に透過もしくは反射させるダイクロイックミラーが用いられる。なお、ダイクロイックミラーの代わりに色分解プリズムを用いるようにしてもよい。

表示用光変調素子５１は、赤色光変調素子５１Ｒ、緑色光変調素子５１Ｇおよび青色光変調素子５１Ｂからなる。赤色光変調素子５１Ｒ、緑色光変調素子５１Ｇおよび青色光変調素子５１Ｂはそれぞれ、透過型の光変調素子であり、リレー・色分解光学系４１側からの光を各色画像信号に基づいて変調させつつ透過させることにより、画像光を出射するようになっている。赤色光変調素子５１Ｒは、透過型の液晶パネル５１０Ｒを有してなり、光入射側および光出射側には、偏光板５１１ａ，５１１ｂがそれぞれ設けられている。

なお、本変形例においても、照明用光変調素子３０は、表示用光変調素子５１と光学的に共役となる位置もしくはその近傍に位置に配置されている。また、照明用光変調素子３０の画素数は、表示用光変調素子５１の画素数以下となっている。

以上のように、表示用光変調素子５１としては、透過型の光変調素子を用いるようにしてもよく、このように構成した場合であっても、上記投射型表示装置１と同等の効果を得ることができる。

（変形例２）
図４は、変形例２に係る投射型表示装置３の全体構成を表すものである。この投射型表示装置３は、照明用光変調素子３１が表示用光変調素子５１に近接配置されていること以外は、上記投射型表示装置１と同様の構成となっている。

照明用光変調素子３１は、赤色光変調素子３１Ｒ、緑色光変調素子３１Ｇおよび青色光変調素子３１Ｂからなり、それぞれが表示用光変調素子５１としての赤色光変調素子５１Ｒ、緑色光変調素子５１Ｇおよび青色光変調素子５１Ｂに近接して配置されている。すなわち、本変形例では、照明光学系２０を通過した白色の光束を、リレー・色分解光学系４１において３色の色光に分解したのち、色光ごとに照明用の画像光が生成されるようになっている。

また、このような近接配置によって、照明用光変調素子３１における光出射側の偏光板と表示用光変調素子５１における光入射側の偏光板とが共通化されている。例えば、赤色光変調素子５１Ｒの光入射側の偏光板５１１ａが、赤色光変調素子３１Ｒの光出射側の偏光板を兼ねた構成となっている。

さらに、照明用光変調素子３１の画素数は、表示用光変調素子５１の画素数よりも少なくなっていることが望ましい。ここで、例えば図５（Ａ）に示したように、１枚の光変調素子において幅ｄ１の画素を透過する光の発散角をα０とすると、図５（Ｂ）に示したように、２枚の光変調素子を近接配置した場合には、光発散角α１が小さくなってしまう。そこで、図５（Ｃ）に示したように、照明用光変調素子３１の画素数を表示用光変調素子５１よりも少なくすれば、照明用光変調素子３１の画素幅ｄ２が拡大され、この結果光発散角α２を大きくすることができる。

（変形例３）
図６は、変形例３に係る投射型表示装置４の全体構成を表すものである。この投射型表示装置４は、リレー・色分解光学系４２と表示用光変調素子５２の構成以外は、上記投射型表示装置１と同様の構成となっている。投射型表示装置４では、光源１０からの光を照明用光変調素子３０によって変調したのち、リレー・色分解光学系４２によって３色の色光に分解し、分解された色光を一枚の表示用光変調素子５２で変調することにより表示用の画像光を生成するようになっている。

リレー・色分解光学系４２は、リレーレンズ４２１，４２２および選択的な色光を反射させるダイクロイックミラー４２３Ｒ、４２３Ｇ，４２３Ｂを配列してなる。ダイクロイックミラー４２３Ｒ、４２３Ｇ，４２３Ｂは、光軸上に互いに異なる角度で配置され、それぞれ赤色光、緑色光、青色光を異なる角度で表示用光変調素子５２に向けて入射できるようになっている。

表示用光変調素子５２は、透過型の液晶パネル５２０を有してなり、この光入射側および光出射側には偏光板５２１ａ，５２１ｂが設けられている。ここで、図７に液晶パネル５２０の詳細な構成を示す。液晶パネル５２０は、複数の表示単位Ｐを有しており、表示単位Ｐは、赤を表示する画素Ｐ_R、緑を表示する画素Ｐ_Gおよび青を表示する画素Ｐ_Bの３つの画素から構成されている。液晶パネル５２０は、対向する一対の基板、例えば画素駆動回路（図示せず）を備えたＴＦＴ（Thin Film Transistor；薄膜トランジスタ）基板５２３（出射側基板）と対向基板５２２（入射側基板）との間に、液晶層５２５を封止したものである。このＴＦＴ基板５２３には、画素ごとに画素電極５２４Ｒ，５２４Ｇ，５２４Ｂが設けられている。液晶層５２５は、例えばネマティック液晶などの液晶材料により構成され、例えば、ＶＡ（Vertical Alignment：垂直配向）モード、ＴＮ（Twisted Nematic：ねじれネマティック）モードなどの駆動モードが用いられる。対向基板５２２には、マイクロレンズアレイ５２２ａと対向電極５２２ｂが設けられている。マイクロレンズアレイ５２２ａは、複数のマイクロレンズ５２２ａ１が２次元配列したものであり、１つのマイクロレンズ５２２ａ１に対して、表示単位Ｐが割り当てられるようになっている。

上記のような構成により、対向基板５２２側にマイクロレンズアレイ５２２ａを設け、３色の光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを、互いに異なる角度で入射させることにより、色光ごとにそれぞれの画素Ｐ_R，Ｐ_G，Ｐ_Bに分配されて集光される。これにより、３色の画像光が生成され、合成光学系６０側へ出射される。

このように、表示用光変調素子５２は色光ごとに複数設けなくともよく、一つであってもよい。この場合、上述したようにリレー・色分解光学系４２によって３色の色光に分解しつつ、互いに異なる角度で、所定の構造を有する表示用光変調素子５２に入射させるようにすれば、いわゆる単板式の構造でフルカラー表示を実現できる。

（変形例４）
図８は、変形例４に係る投射型表示装置５の全体構成を表すものである。この投射型表示装置５は、リレー・色分解光学系４３の構成と、照明用光変調素子および表示用光変調素子５３としてマイクロミラー素子を用いていること以外は、上記投射型表示装置１と同様の構成となっている。本変形例で用いられるマイクロミラー素子は、複数の微小鏡面（マイクロミラー）を２次元的に配列させてなるものである。このマイクロミラー素子は、いわゆるデジタルミラーデバイス(ＤＭＤ：Digital Mirror Device)と呼ばれる反射型の光変調素子であり、画像信号に応じた電圧印加によって各マイクロミラーのＯＮ、ＯＦＦ頻度を切り替えることにより、２次元的に光反射領域が制御され階調表示が行われる。

マイクロミラー素子（照明用光変調素子）３２は、照明光学系２０から出射された光を、上述したような白黒画像信号Ｄ１に基づいて変調することにより照明用の画像光を生成するものである。全反射ミラー３２１により照明光学系２０からの光が光路変換されて、マイクロミラー素子３２に入射するようになっている。なお、上述したような液晶パネルを用いた場合と異なり、偏光成分を分離する必要がないので、照明光学系２０にはＰＳコンバータ２０２は配置しなくともよい。

リレー・色分解光学系４３は、リレーレンズ４３１，４３２と、プリズム４３３〜４３６を配置してなる。プリズム４３３〜４３６により、マイクロミラー素子３２からの光（照明用の画像光）は、色分解されて各マイクロミラー素子５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂ（後述）に入射されると共に、これらのマイクロミラー素子５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂから出射する各色光（表示用の画像光）は、同一の光路上に集められ合成されるようになっている。

具体的には、リレーレンズ４３１，４３２を通過した光は、プリズム４３３において光路変換され、プリズム４３４に入射する。プリズム４３４の界面Ｓ１，Ｓ２には青色反射フィルタが形成されており、この界面Ｓ１，Ｓ２において青色光が反射され、マイクロミラー素子５３Ｂに入射する。一方、プリズム４３４の界面Ｓ１，Ｓ２を透過した赤色光および緑色光は、プリズム４３５に入射する。プリズム４３５の界面Ｓ３，Ｓ４には赤色反射フィルタが形成されており、この界面Ｓ３，Ｓ４において赤色光が反射され、マイクロミラー素子５３Ｒに入射する。他方、プリズム４３５の界面Ｓ３，Ｓ４を透過した緑色光は、プリズム４３６を通過したのち、マイクロミラー素子５３Ｇに入射する。そして、各マイクロミラー素子からそれぞれ出射する各色光は、入射時と同一の経路を辿ってプリズム４３３へと導かれ、このプリズム４３３において合成される。なお、本変形例では、プリズム４３３が合成光学系６０を兼ねている。

表示用光変調素子５３は、赤色、緑色および青色の色光ごとにそれぞれ設けられたマイクロミラー素子５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂからなる。上述したようにプリズム４３３〜４３６により色分解された３色の色光は、それぞれマイクロミラー素子５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂにおいて、原色画像信号Ｄ２（Ｄ２Ｒ，Ｄ２Ｇ，Ｄ２Ｂ）に基づいて変調され、表示用の画像光が生成されるようになっている。

このように、照明用および表示用の光変調素子としては、上述した液晶表示素子に限定されず、マイクロミラー素子を用いるようにしてもよい。この場合であっても、照明用のマイクロミラー素子３２の持つコントラスト値と、表示用のマイクロミラー５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂそれぞれが持つコントラスト値との積が、表示画像のコントラストとなる。よって、上記投射型表示装置１と同等の効果を得ることができる。

なお、本変形例では、照明用および表示用の光変調素子の両方をマイクロミラー素子で構成した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば図９に示したように、照明用光変調素子３０として、上述したような液晶パネル３００を有する液晶表示素子と、リレー・色分解光学系４３および表示用光変調素子５３を組み合わせてもよい。この場合、液晶パネル３００は透過型であるため、照明光学系２０と照明用光変調素子３０との間に上記のような全反射ミラー３２１を配置する必要はない。あるいは、照明用光変調素子をマイクロミラー素子３２で構成し、表示用光変調素子としてＬＣＯＳなどの反射型の液晶表示素子を用いるようにしてもよい。

以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、信号処理回路９０に入力された画像信号Ｄ０に基づいて、輝度成分である白黒画像信号Ｄ１と原色画像信号Ｄ２とを生成し、白黒画像信号Ｄ１を照明用光変調素子に、原色画像信号Ｄ２を表示用光変調素子にそれぞれ出力するようにしたが、これに限定されず、照明用光変調素子に入力される画像信号に原色成分（Ｃｂ，Ｃｒ）が含まれていてもよい。逆に、表示用光変調素子に入力される画像信号に輝度成分（Ｙ）が含まれていてもよい。

また、画像信号Ｄ０から抽出した白黒画像信号Ｄ１そのものに基づいて変調してもよいし、あるいは白黒画像信号Ｄ１に対して、ユーザがダイナミックに輝度変調を行うことができるようにしたり、表示画像の絵がらに応じて自動で輝度変調がなされるようにしてもよい。これにより、自在にコントラストを変化させることができるようになる。

また、上記実施の形態等では、光源１０としてランプを例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えばレーザや発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの他の光源を用いるようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、光源１０として一つの白色光源を設けた構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、赤色、緑色および青色の光を発する光源、例えば赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤをそれぞれ配置し、各光源ごとに照明用光変調素子を設けるようにしてもよい。この場合、赤色ＬＥＤとしては、例えば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）、ＧａＡｓＰ（ガリウム砒素リン）、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）などの半導体材料よりなるものを用いることができる。緑色ＬＥＤとしては、例えば、ＩｎＧａＮ（インジウム窒化ガリウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮ（アルミニウム窒化ガリウム）などの半導体材料よりなるものを用いることができる。青色ＬＥＤとしては、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの半導体材料よりなるものを用いることができる。

また、上記実施の形態では、光源からの光をＲ，Ｇ，Ｂの３原色の画像光を生成して、フルカラーの画像表示を行う場合について説明したが、これに限定されず、光源からの光をそのまま変調して単色の画像を表示するようにしてもよい。このようにした場合であっても、本発明と同等の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態で説明した投射型表示装置は、スクリーンや投射光学系の構成を適宜調整することにより、フロント型およびリア型のどちらにも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の概略構成を表すものである。 図１に示した投射型表示装置の具体的な構成を表すものである。 本発明の第１の変形例に係る投射型表示装置の全体構成を表すものである。 本発明の第２の変形例に係る投射型表示装置の全体構成を表すものである。 近接配置について説明するための模式図である。 本発明の第３の変形例に係る投射型表示装置の全体構成を表すものである。 図６に示した液晶パネルの断面構成を表すものである。 本発明の第４の変形例に係る投射型表示装置の全体構成を表すものである。 図８に示した投射型表示装置の他の例を表す図である。

符号の説明

１，２，３，４，５…投射型表示装置、１０…光源、２０…照明光学系、３０…照明用光変調素子、４０…リレー・色分解光学系、５０…表示用光変調素子、６０…合成光学系、７０…投射レンズ、８０…スクリーン、９０…信号処理回路。

Claims (12)

1. 光源と、
   入力された画像信号に基づいて前記光源からの光を変調することにより、第１の画像光を生成する第１の光変調素子と、
   前記画像信号に基づいて前記第１の画像光を変調することにより、第２の画像光を生成する第２の光変調素子と、
   前記第２の光変調素子で生成された第２の画像光を投射する投射レンズと
   を備えた投射型表示装置。
2. 前記第１および第２の画像光はほぼ等しい画像を形成し、かつ
   前記第１および第２の光変調素子は、前記画像信号に対して同期して駆動されるようになっている
   請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記第１の画像光は前記第２の光変調素子を照明するための照明用の画像光であり、
   前記第２の画像光は表示用の画像光である
   請求項２に記載の投射型表示装置。
4. 前記第１の光変調素子は、前記画像信号の輝度成分を用いて前記第１の画像光を生成し、
   前記第２の光変調素子は、前記画像信号に応じて前記第２の画像光を生成する
   請求項２に記載の投射型表示装置。
5. 前記第１および第２の光変調素子はそれぞれ、複数の画素を２次元配列してなり、
   前記第１の光変調素子の画素数は、前記第２の光変調素子の画素数以下である
   請求項２に記載の投射型表示装置。
6. 前記第１の光変調素子は、前記第２の光変調素子と光学的に共役となる位置に配置されている
   請求項２に記載の投射型表示装置。
7. 前記第１の光変調素子は、前記第２の光変調素子と光学的に共役となる位置の近傍に配置されている
   請求項２に記載の投射型表示装置。
8. 前記第１の光変調素子は、前記第２の光変調素子に近接して配置されている
   請求項２に記載の投射型表示装置。
9. 前記第１の光変調素子の光出射側に光拡散層を有する
   請求項２に記載の投射型表示装置。
10. 前記第１の光変調素子の画素数は、前記第２の光変調素子の画素数よりも少ない
    請求項８に記載の投射型表示装置。
11. 前記第１および第２の光変調素子はそれぞれ、
    各画像信号に基づいて光を変調する液晶パネルと、
    前記液晶パネルの光入射側および光出射側に設けられた一対の偏光板とを有し、
    前記第１の光変調素子の光出射側の偏光板と、前記第２の光変調素子の光入射側の偏光板とが共通化されている
    請求項８に記載の投射型表示装置。
12. 前記光源は白色光源であり、
    前記第１の光変調素子により生成された白色の第１の画像光を複数色の色光に分解するための色分解光学系を備え、
    前記第２の光変調素子は、前記色分解光学系により分解された色光ごとに表示用の第２の画像光を生成し、
    前記複数色の第２の画像光を合成したのち、投射レンズにより投射する
    請求項２に記載の投射型表示装置。

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