JP4158776B2 - 画像表示装置及びプロジェクタ - Google Patents

Description

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して画像を表示する装置に係り、特に、輝度ダイナミックレンジおよび階調数の拡大を実現するのに好適な画像表示装置及びプロジェクタに関する。

近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ（Electro-luminescence）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の電子ディスプレイ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を有する装置が実現されつつある。しかし、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１〜１０^２［nit］程度の範囲であり、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の範囲が１０^−２〜１０^４［nit］程度あり、また輝度弁別能力は０．２［nit］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経由して現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、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や迫力に対して物足りなさを感じることになる。

また、映画やゲーム等で使用されるＣＧ（Computer Graphics）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を表示データ（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。しかしそれを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているために、ＣＧコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。

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高ダイナミックレンジ・高階調の電子ディスプレイ装置実現への要求が高まると予想される。

ディスプレイ装置の中でも、液晶プロジェクタや、ＤＬＰ（Digital Light Processing、商標）プロジェクタといった投射型表示装置（プロジェクタ）は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティや迫力を再現する上で効果的なディスプレイ装置である。この分野では上記の課題を解決するために、以下に述べる提案がなされている。

高ダイナミックレンジのディスプレイ装置としては、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２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１光変調素子とを備え、光源からの光を第２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１光変調素子の表示面に結像して色変調し、２次変調した光を投射するというものである。第２光変調素子及び第１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制御値及び第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あげられる。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（Digital Micromirror Device）素子があげられる。

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。上記ディスプレイ装置は、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。
特表２００４−５２３００１号公報 特開２００１−１００６８９号公報

ところで、一般的に液晶ライトバルブには視角特性があり、明るさ、コントラスト等の表示特性が光線の出射方向により変化する。したがって、液晶プロジェクタ等の複数の液晶ライトバルブを用いる表示装置においては、個々の液晶ライトバルブの視角特性を考慮し、最も高い表示特性が発揮できるように、複数の液晶ライトバルブを適切に配置する必要がある。

しかしながら、上述した従来技術では、液晶ライトバルブの視角特性を考慮した配置については、具体的に示されていない。このように、液晶ライトバルブの適切な配置を怠ってしまうと、表示画像に明るさのムラ、色ムラ等の不均一性が生じたり、コントラスト特性が劣化したりするため、表示画像の画質が著しく低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、コントラスト特性を向上し、鮮明な画像を得ることが可能な画像表示装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の画像表示装置は、表示画像データに基づいて光源からの光を変調して画像を表示する画像表示装置であって、前記光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、該第１光変調素子と光路上に直列に配置され、前記第１光変調素子から出射する光を変調する第２光変調素子とを備え、前記第１光変調素子及び前記第２光変調素子が、前記第１光変調素子の光学像の明視方向と前記第２光変調素子の明視方向とが略一致するように配置されていることを特徴とする。

本発明に係る画像表示装置では、光源から射出された光は、第１光変調素子により変調され後、第２光変調素子により変調される。このとき、第１光変調素子の光学像の明視方向と第２光変調素子の明視方向とが略一致しているため、第１光変調素子の光学像のコントラスト特性を最大限に上げることができる。したがって、第２光変調素子から射出される画像の均一性やコントラスト特性が向上するため、鮮明な画像を得ることが可能となる。

また、本発明の画像表示装置は、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像させる結像光学手段を備えることが好ましい。
本発明に係る画像表示装置では、結像光学手段を備えることにより、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、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。

また、本発明の画像表示装置は、前記結像光学手段が倒立結像手段であり、前記第１光変調素子の光学像と前記第２光変調素子との明視方向が略同一であるとともに、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子とは光軸回りに１８０°回転対称に配置されていることが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、光源から射出された光は、第１光変調素子において変調される。そして、変調された光学像は、結像光学手段が倒立結像手段であるため、第２光変調素子の受光面において倒立した像となる。このように、第１光変調素子から射出された光学像が１８０°回転しても、第１光変調素子と第２光変調素子とは、もともと明視方向が同一なものが光軸回りに１８０°回転対称に配置されているため、倒立結像手段を用いた場合においても、明視方向が一致することになり、第２光変調素子から射出される画像の均一性やコントラスト特性が向上するため、鮮明な画像を得ることが可能となる。

また、本発明の画像表示装置は、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との単位画素の開口部形状が略同一であることが好ましい。
本発明に係る画像表示装置では、第１光変調素子と第２光変調素子との単位画素の開口部形状が略同一であるため、第１光変調素子の開口部形状と、第２光変調素子の画素単位の開口部形状とが略一致する。したがって、第１光変調素子から射出された光は、ほぼすべて第２光変調素子において遮光されることがないので、光利用効率が向上することになる。

また、本発明の画像表示装置は、前記第１光変調素子が、異なる色光をそれぞれ変調する複数の光変調素子からなり、前記複数の光変調素子において変調された光を合成するダイクロイックプリズムを備え、該ダイクロイックプリズムを透過する光を射出する前記光変調素子の明視方向を基準にして前記第２光変調素子の明視方向を合わせることが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、第２光変調素子がダイクロイックプリズムを透過する光を射出している光変調素子の明視方向を基準にして配置されているため、簡易な方法で明視方向を一致させることができるので、装置全体の大型化を防ぐとともに、部品点数を削減できるため低コスト化を図ることが可能となる。

本発明のプロジェクタは、上記の画像表示装置と、該画像表示装置から射出された光を投射する投射手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係るプロジェクタでは、画像表示装置により射出された画像が、投射手段によって投影される。上述したように、画像表示装置はコントラスト特性が優れているため、ダイナミックレンジの高い諧調特性に優れた表示画像を得ることができる。

以下、本発明の画像表示装置及びプロジェクタの実施形態について図を参照して説明する。
（プロジェクタの第１実施形態）
図１は、投射型液晶表示装置（プロジェクタ）ＰＪ１の主たる光学構成を示す図である。
プロジェクタＰＪ１は、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均一照明系２０と、均一照明系２０から入射した光の波長領域のうちのＲＧＢ３原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部２５（第１変調素子として青色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｂ，緑色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｇ，赤色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｒの３つの透過型液晶ライトバルブを含む）と、色変調部２５から入射した光をリレーするリレーレンズ９０と、リレーレンズ９０から入射した光の全波長領域の輝度を変調する第２変調手段としての透過型液晶ライトバルブ１００とを有する画像表示装置と、液晶ライトバルブ１００から入射した光をスクリーン１２０に投射する投射レンズ（投射手段）１１０とを備えて構成されている。
また、光源１０は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなるランプ１１と、ランプ１１からの射出光を反射・集光するリフレクタ１２とを備えている。
なお、以下の説明において、光学系全体のｘｙｚ直交座標系は、透過型液晶ライトバルブ１００の画素面をｘｙ平面とし、クロスダイクロイックプリズム８０から射出され、投射レンズ１１０に向かう光の方向をｚ方向とする。

均一照明系２０は、フライアイレンズ等からなる第１，第２のレンズアレイ２１，２２と、偏光変換素子２３と、集光レンズ２４とを含んで構成されている。そして、光源１０から射出された光の輝度分布を第１，第２のレンズアレイ２１，２２により均一化し、第１，第２のレンズアレイ２１，２２を通過した光を偏光変換素子２３により色変調部の入射可能偏光方向に偏光し、偏光した光を集光レンズ２４により集光して色変調部２５に射出する。なお、偏光変換素子２３は、例えば、ＰＢＳアレイと、１／２波長板とで構成されており、ランダム偏光を特定の直線偏光に変換するものである。

色変調部２５は、光分離手段としての２つのダイクロイックミラー３０，３５と、３つのミラー（反射ミラー３６，４５，４６）と、５つのフィールドレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）と、３つの液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと、クロスダイクロイックプリズム８０と、を含んで構成されている。

ダイクロイックミラー３０，３５は、光源１０からの光（白色光）を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のＲＧＢ３原色光に分離（分光）するものである。ダイクロイックミラー３０は、ガラス板等にＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する性質のダイクロイック膜を形成したもので、光源１０からの白色光に対して、当該白色光に含まれるＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する。ダイクロイックミラー３５は、ガラス板等にＧ光を反射し、Ｂ光を透過する性質のダイクロイック膜を形成したもので、ダイクロイックミラー３０を透過したＧ光及びＢ光のうち、Ｇ光を反射して平行化レンズ５０Ｇに伝達し、青色光を透過してレンズ４１に伝達する。

リレーレンズ４２はレンズ４１近傍の光（光強度分布）を平行化レンズ５０Ｂ近傍に伝達するもので、レンズ４１はリレーレンズ４２に光を効率よく入射させる機能を有する。また、レンズ４１に入射したＢ光は、その強度分布をほぼ保存された状態で、かつ光損失を殆ど伴うことなく空間的に離れた液晶ライトバルブ６０Ｂに伝達される。

平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒは対応する液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する各色光を略平行化して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを透過した光を効率よくリレーレンズ９０に入射させる機能を有している。そして、ダイクロイックミラー３０，３５で分光されたＲＧＢ３原色の光は、上述したミラー（反射ミラー３６，４５，４６）及びレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）を介して液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する。

液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、画素電極及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クス型の液晶表示素子である。

また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、電圧非印加状態で白／明（透過）状態、電圧印加状態で黒／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。液晶ライトバルブ６０Ｂは、入射されたＢ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｇは、入射されたＧ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｒは、入射されたＲ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。

クロスダイクロイックプリズム８０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造からなり、その内部には、Ｂ光を反射する誘電体多層膜（Ｂ光反射ダイクロイック膜８１）及びＲ光を反射する誘電体多層膜（Ｒ光反射ダイクロイック膜８２）が断面Ｘ字状に形成されている。そして、液晶ライトバルブ６０ＧからのＧ光を透過し、液晶ライトバルブ６０ＲからのＲ光と液晶ライトバルブ６０ＢからのＢ光とを折り曲げてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。

図２は、リレーレンズ（結像光学手段）９０の構成を示す図である。
リレーレンズ９０は、クロスダイクロイックプリズム８０で合成された液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの光学像（光強度分布）を液晶ライトバルブ１００の画素面（受光面）上に伝達するものである。また、本実施形態において使用するリレーレンズ９０は、倒立結像手段であるため、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒから射出されリレーレンズ９０を介して液晶ライトバルブ１００に結像される像は倒立像となる。
なお、図２に示すリレーレンズ９０は、説明を簡潔にするために、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒとリレーレンズ９０との間にあるクロスダイクロイックプリズム８０を省略して描いてあるが、光学的には図１に示すプロジェクタＰＪ１の構成と等価なものである。

リレーレンズ９０は、開口絞り９１に対してほぼ対称に配置された前段レンズ群９０ａ及び後段レンズ群９０ｂからなる等倍結像レンズである。また、液晶の視野角特性を考慮して両側テレセントリック特性を有することが望ましい。このようなリレーレンズ９０は、前段レンズ群９０ａの像側焦点位置と開口絞り９１と後段レンズ群９０ｂの物体側焦点位置とを一致させ、かつ、前段レンズ群９０ａの物体側焦点位置に液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを配置し、後段レンズ群９０ｂの像側焦点位置に液晶ライトバルブ１００を配置する。前段レンズ群９０ａ及び後段レンズ群９０ｂは、複数の凸レンズ及び凹レンズを含んで構成されている。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔及び枚数、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。

また、液晶ライトバルブ１００は、図１に示すように、前述した液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと同等の構成からなり、入射した光の全波長領域の輝度を表示画像データに基づいて変調し、最終的な光学像を内包した変調光を投射レンズ１１０に射出する。
さらに、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００は、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像の明視方向と液晶ライトバルブ１００の明視方向とが略一致するように配置されている。

次に、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像の明視方向と液晶ライトバルブ１００の明視方向とを一致させる方法について、具体的に説明する。
液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００は、光線の出射方向によって光学特性が異なるという視角特性を有している。これは、光学異方性を有する液晶分子を液晶層内で特定の方向に配列させることに起因して生じる特性である。以下、図３を用いて視角特性の表示方法について説明する。なお、図３で用いる直交座標系は、図１で説明したｘｙｚ直交座標系と同じ方向を示している。

液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００から射出される光線の進行方向は、図３（ａ）に示すように、極角θと方位角φとで定義される。すなわち、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００から射出した後の光線の進行方向とｚ軸とのなす角を極角θと定義する。また、光線の進行方向のｘｙ平面への射影（点線）とｘ軸とのなす角をｘ軸を基点に反時計回りを正として方位角φと定義する。
また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００の視角特性は、図３（ｂ）に示す視角特性図を用いて表示される。この視角特性図上のＫ点の特性値もしくは特性は、Ｋ点と原点との距離をθ、水平軸とＫ点とのなす角をφとする光線の特性値もしくは特性を示している。なお、水平軸とＫ点とのなす角φは視角特性図の水平軸を基点として反時計回りの方向を正とする。

次に、図４（ａ）に液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００のコントラスト視角特性の一例を示す。図４（ａ）では、コントラスト１００，５００，１０００のときの領域を示している。図４（ａ）から分かるように、コントラスト特性は等方的なものではなく、高コントラスト領域は方位角Φが１３５°方向にあることがわかる。なお、最もコントラスト特性が高い領域が存在する方位角Φを明視方向と称する。

また、上述したようにリレーレンズ９０は、液晶ライトバルブから射出された像を倒立して結像させるため、図４（ａ）に示す特性を持つ液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを使用した場合、リレーレンズ９０を通過した液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの像のコントラスト視野特性は図４（ｂ）に示すように、ｚ軸を中心として、１８０°回転した特性になる。したがって、スクリーン１２０に投射される画像のコントラスト特性を最大限に上げるためには、液晶ライトバルブ１００の明視方向を図４（ｂ）とほぼ同等の３１５°方向にする必要が生じる。

この方法として、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを基準として液晶ライトバルブ１００を光軸回りに１８０°回転対称に配置する方法が挙げられる。このとき、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと液晶ライトバルブ１００とは略同一の明視方向であり、かつ、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの単位画素６１の開口部６１ａと液晶ライトバルブ１００の単位画素１０１の開口部１０１ａとの形状が略同一の大きさを有しているものを使用する（図示例では、単位画素６１，１０１を６つのみ示す）。すなわち、図５に示すように、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００として、明視方向が略同一方向である液晶ライトバルブを用い、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０ＲのＡ方向及びＢ方向を液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒにおいては、それぞれ＋ｙ方向，＋ｘ方向に向けて配置する。一方、液晶ライトバルブ１００では、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを基準にして１８０°光軸回りに回転させ、それぞれを−ｙ方向，−ｘ方向に向けた状態で配置する。このように配置することにより、リレーレンズ９０によって結像される液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像の明視方向と液晶ライトバルブ１００の明視方向とを一致させることができる。
この方法の場合、液晶ライトバルブ１００用に、明視方向を一致させる目的で液晶配向方向を特別に調整しなくても良いので、製品の量産性を向上させることが可能となる。

なお、図５の説明において、クロスダイクロイックプリズム８０を省略して説明したが、実際には、各液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの明視方向は、クロスダイクロイックプリズム８０において光学的に合成させたときに、各液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像の明視方向が一致するように、設定されている。したがって、図５の説明における液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの明視方向とは、クロスダイクロイックプリズム８０において光学的に合成された光学像における明視方向を意味している。
さらには、クロスダイクロイックプリズム８０で光学的に合成された光学像における明視方向は、クロスダイクロイックプリズム８０を透過する液晶ライトバルブ（本実施形態では緑色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｇ）の明視方向に一致させるのが一般的である。したがって、図５においては、液晶ライトバルブ１００として緑色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｇと同一のものを使用し、さらに、液晶ライトバルブ１００を緑色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｇを基準に光軸回りに１８０°回転させて配置すれば良い。

投射レンズ１１０は、液晶ライトバルブ１００の表示面上に形成された光学像をスクリーン１２０上に投射してカラー画像を表示する。

ここで、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００はいずれも透過光の強度を変調し、その変調度合いに応じた光学像を内包する点では同じであるが、後者の液晶ライトバルブ１００は全波長域の光（白色光）を変調するのに対して、前者の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは光分離手段であるダイクロイックミラー３０，３５で分光された特定波長領域の光（Ｒ，Ｇ，Ｂなどの色光）を変調する点で両者は異なっている。したがって、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで行われる光強度変調を色変調、液晶ライトバルブ１００で行われる光強度変調を輝度変調と便宜的に呼称して区別する。

また、同様の観点から、以下の説明では液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを色変調ライトバルブ、液晶ライトバルブ１００を輝度変調ライトバルブと呼称して区別する場合がある。

次に、プロジェクタＰＪ１の全体的な光伝達の流れを説明する。光源１０からの白色光はダイクロイックミラー３０，３５により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色光に分光されるとともに、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒを含むレンズ及びミラーを介して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射される。液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射した各々の色光はそれぞれの波長領域に応じた外部データに基づいて色変調され、光学像を内包した変調光として射出される。液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの各変調光は、それぞれクロスダイクロイックプリズム８０に入射し、そこで一つの光に合成される。

その後、クロスダイクロイックプリズム８０を射出した光線は、リレーレンズ９０を介して液晶ライトバルブ１００に入射される。このとき、クロスダイクロイックプリズム８０を射出した光の光学像の明視方向は、リレーレンズ９０により１８０°回転され、液晶ライトバルブ１００の明視方向と略一致する。液晶ライトバルブ１００に入射した合成光は全波長域に応じた外部データに基づいて輝度変調され、最終的な光学像を内包した変調光として投射レンズ１１０へ射出される。そして、投射レンズ１１０において、液晶ライトバルブ１００からの最終的な合成光をスクリーン１２０上に投射し所望の画像を表示する。

このように、プロジェクタＰＪ１では、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで光学像（画像）を形成した変調光を用いて、最終的な表示画像を第２光変調素子としての液晶ライトバルブ１００で形成する形態を採用しており、直列に配置された２つの光変調素子（色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブ）を介して、２段階の画像形成過程によって光源１０からの光を変調する。なお、画像形成過程については、例えば、「Helge Seetzen, Lorne A. Whitehead “A High Dynamic Range Display Using Low and High Resolution Modulators”, SID Symposium 2003, pp.1450-1453(2003)」に掲載されている。その結果、プロジェクタＰＪ１は、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現することができる。

更に、プロジェクタＰＪ１は、プロジェクタＰＪ１を制御する表示制御装置２を有している。
図６は、表示制御装置２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及びシステム全体を制御するＣＰＵ１７０と、所定領域にあらかじめＣＰＵ１７０の制御プログラム等を格納しているＲＯＭ１７２と、ＲＯＭ１７２等から読み出したデータやＣＰＵ１７０の演算過程で必要な演算結果を格納するためのＲＡＭ１７４と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するＩ／Ｆ１７８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１７９で相互にかつデータ授受可能に接続されている。

Ｉ／Ｆ１７８には、外部装置として、輝度変調ライトバルブ及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１８０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１８２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１８２には、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを駆動するためのＨＤＲ表示データおよび制御値登録テーブルが記憶されている。

本実施の形態において、プロジェクタＰＪ１は、外部からのＨＤＲ映像信号及びＲＧＢに基づき表示制御装置２において液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００の透過率を制御し、スクリーン１２０上にＨＤＲ画像を表示するようになっている。
ここで、ＨＤＲ画像データは、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。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。

また、ＨＤＲ画像データは、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。
なお、ＨＤＲ画像データの生成方法の詳細については、例えば公知文献「P.E.Debevec, J.Malik, "Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs", Proceedings of ACM SIGGRAPH97 , p.367-378 , 1997」」に掲載されている。

以上説明したように、本実施形態のプロジェクタＰＪ１では、色変調ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂの所定の画素において１次変調された光を、輝度変調ライトバルブ１００の所定領域（画素）において適切に２次変調させることが可能となる。したがって、従来に比べて、所定の品質の画像を確実に得ることができる。

また、色変調ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂの光学像の明視方向と輝度変調ライトバルブ１００の明視方向とが略一致しているため、色変調ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂの光学像のコントラスト特性を最大限に上げることができる。したがって、輝度変調ライトバルブ１００から射出される画像の均一性やコントラスト特性が向上するため、鮮明な画像スクリーン１２０に投射することが可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態において、色変調ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂと輝度変調ライトバルブ１００との単位画素（図示例では、単位画素６１，１０１を６つのみ示す）の開口部の形状が、非対称である色変調ライトバルブ６５Ｒ，６５Ｇ，６５Ｂと輝度変調ライトバルブ１０５を用いても良い。この場合も、上記実施形態と同様に、図７（ａ）に示すように、液晶ライトバルブ６５Ｂ，６５Ｇ，６５Ｒを基準として液晶ライトバルブ１０５を光軸回りに１８０°回転対称に配置する。

色変調ライトバルブ６５Ｒ，６５Ｇ，６５Ｂ及び輝度変調ライトバルブ１０５の画素構造は、図７（ａ）に示すように、マトリクス状に複数の画素が配置されており、各単位画素６６，１０６は、例えばクロム等の金属材料からなる格子状の遮光部６６ａ，１０６ａと、矩形状の開口部６６ｂ，１０６ｂとで構成されている。
遮光部６６ａ，１０６ａは、所定幅の帯状部が周期的に配列された遮光パターン膜（ブラックストライプ膜、ブラックマトリックス膜など）の他、画素配線、ＴＦＴ素子等によって形成される。また、開口部６６ｂ，１０６ｂの一つの角には、遮光部６６ｃ，１０６ｃが設けられている。このように、遮光部６６ｂ，１０６ｂは、非対称な形状となっている。

この構成の場合、色変調ライトバルブ６５Ｒ，６５Ｇ，６５Ｂを射出した光は、リレーレンズ９０により１８０°回転され、液晶ライトバルブ１０５に入射する。このとき、液晶ライトバルブ６５Ｂ，６５Ｇ，６５Ｒの開口部６６ｂを通過した光学像と液晶ライトバルブ１０５の開口部１０６ｂの形状とがほぼ一致することになる。したがって、図７（ｂ）に示すように、液晶ライトバルブ６５Ｂ，６５Ｇ，６５Ｒから射出された光束のほぼすべてが液晶ライトバルブ１０５の開口部１０６ｂを通過することになるので、光利用効率が向上することになる。

また、上記実施形態において、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの開口部６１ａと液晶ライトバルブ１００の開口部１０１ａとの形状が略同一の大きさを有するものを使用したが、異なっていても良く、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像の明視方向と液晶ライトバルブ１００の明視方向とが略一致するように配置されていれば、コントラスト特性を向上させることが可能となる。

さらに、上記実施形態において、プロジェクタＰＪ１として、リレーレンズ９０を用いなくても良い。この構成の場合、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの位置に、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００に代えて、図８に示すように、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（輝度変調ライトバルブ）２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂと、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（色変調ライトバルブ）３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂとからなる光変調素子群４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂを用いれば良い。なお、図８においては、赤色用の光変調素子群４０Ｒを例に挙げて説明する。

液晶ライトバルブ２００Ｒは、偏光板２０１、対向基板２０２、対向電極２０３、データ配線２０４、封止材２０５、パネル基板２０６、液晶２０７およびマイクロレンズアレイ２０８で構成されている。パネル基板２０６の入射側（光源１０からの光が入射する側）には、各画素へのデータ配線２０４と所定間隔をもって配列された画素電極および画素電極（不図示）に制御電圧を印加するための能動素子（不図示）が形成されているとともに、対向電極２０３が対向基板２０２上に形成されている。パネル基板２０６と対向基板２０２の間には、液晶２０７が充填され、封止材２０５によって液晶２０７が封止されている。対向基板２０２の入射側には、偏光板２０１が接着されている。一方、パネル基板２０６の出射側（光源１０からの光が出射する側）には、凸方向を出射側に向けてマイクロレンズアレイ２０８が接着されている。なお、マイクロレンズアレイ２０８は、例えば、特開２０００−３０５４７２号公報に開示されている製造方法により製造することができる。

液晶ライトバルブ３００Ｒは、偏光板３０１、対向基板３０２、対向電極３０３、データ配線３０４、封止材３０５、パネル基板３０６、液晶３０７および偏光板３１１で構成されている。パネル基板３０６の入射側には、各画素へのデータ配線３０４と所定間隔をもって配列された画素電極および画素電極（不図示）に制御電圧を印加するための能動素子（不図示）が形成されているとともに、対向電極３０３が対向基板３０２上に形成されている。パネル基板３０６と対向基板３０２の間には、液晶３０７が充填され、封止材３０５によって液晶３０７が封止されている。対向基板３０２の入射側には、偏光板３０１が接着されている。一方、パネル基板３０６の出射側には、偏光板３１１が接着されている。

均一照明系２０から射出された光は、図８の左方（ｉｎの方向）から入射して液晶ライトバルブ２００Ｒにより１次変調され、液晶ライトバルブ２００Ｒの光学像がマイクロレンズアレイ２０８を介して液晶ライトバルブ３００Ｒに伝達される。このとき、液晶ライトバルブ２００Ｒの光学像は、マイクロレンズアレイ２０８により集光されて液晶ライトバルブ３００Ｒの画素面に結像されるので、光の拡散等による輝度の減少を抑制しつつ液晶ライトバルブ３００Ｒに伝達される。そして、液晶ライトバルブ３００Ｒにより、液晶ライトバルブ２００Ｒからの光が２次変調され、図８の右方（ｏｕｔの方向）に出射してクロスダイクロイックプリズム８０に伝達される。

このように、色変調ライトバルブ３００Ｒとマイクロレンズアレイ２０８と輝度変調ライトバルブ２００Ｒとを重ね合わせる構成にすることにより、マイクロレンズアレイ２０８がリレーレンズ９０に比べて極めて小型であるため、装置全体を小型にすることができる。さらに、マイクロレンズアレイ２０８はリレーレンズ９０にくらべて構成要素が少ないので装置への組込み位置の誤差が少ないので輝度変調ライトバルブ２００Ｒ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。また、輝度変調ライトバルブ、マイクロレンズアレイ２０８および色変調ライトバルブが密接しているので、光の拡散等による輝度の減少をさらに抑制することができる。したがって、表示画像の輝度を向上することができる。

また、上記実施形態において、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像と液晶ライトバルブ１００との明視方向を一致させる方法として、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと同一の明視方向を有する液晶ライトバルブ１００を用い、１８０°回転させて配置させたが、１８０°回転させなくても明視方向を一致させることができる。この方法としては、液晶セルのラビング方向、液晶に添加するカイラル材の種類、プレチルト角等を制御することで、液晶ライトバルブ１００の明視方向を所望の方向に変えることが挙げられる。

また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，１００の端部に、実際には、図９（ａ）に示すように、フレキシブル基板であるＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）４００の一方端部が接続されている。ＦＰＣ４００は、ポリイミド等のフィルムからなる可撓性を有する基板である。ここで、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像及び液晶ライトバルブ１００の明視方向が同一である、例えば、図９（ａ）に示す明視方向を有する液晶ライトバルブを用いた場合、液晶ライトバルブ１００を液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに対して１８０°回転させた状態で配置すれば良いが、図９（ｂ）に示すように、液晶ライトバルブ１００として、図９（ａ）に示す明視方向と逆の明視方向を有する液晶ライトバルブを用いた方が好ましい。この場合、液晶ライトバルブ１００を液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに対して１８０°回転させなくて良いため、同じ側にＦＰＣ４００が向くので、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００を配置させ易くなる。

また、プロジェクタＰＪ１の構成として、光源１０側から液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、リレーレンズ９０、液晶ライトバルブ１００の順で変調する構成であったが、これとは逆に、光源１０側から液晶ライトバルブ１００、リレーレンズ９０、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの順に変調する構成であっても、同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、３板式のプロジェクタを例にして説明したが、単板式のプロジェクタに本発明を適用することも可能である。この単板式のプロジェクタは、光源、均一照明系、第１光変調素子、リレーレンズ系、第２光変調素子および投射レンズを主として構成され、光源として白色光源を採用した場合には、第１光変調素子または第２光変調素子としての液晶ライトバルブにカラーフィルタが配設される。

また、投射型表示装置を例にして説明したが、直視型表示装置に本発明を適用することも可能である。この直視型表示装置では、第２変調素子上で変調された画像光を直接見ることとなる。直視型表示装置は、明るい場所での鑑賞に適するという利点がある。

また、色変調ライトバルブで色変調された光に対し、輝度変調ライトバルブにて輝度変調を行うように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブで輝度変調された光に対し、色変調ライトバルブにて色変調を行うように構成することもできる。また、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを用いて光の輝度を２段階に変調するように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを２セット用いて光の輝度を２段階に変調するように構成することもできる。

また、上記実施形態では、光源１０として白色光を射出する単体の光源を用い、この白色光をＲＧＢの３原色の光に分光するようにしているが、これに限らず、ＲＧＢの３原色にそれぞれ対応した、赤色の光を射出する光源、青色の光を射出する光源及び緑色の光を射出する光源の３つの光源を用い、白色光を分光する手段を取り除いた構成としても良い。

また、上記実施形態では、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００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６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００としてパッシブマトリックス型の液晶表示素子及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及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。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクタを示す概略図である。 図１のリレー光学手段の構成を示す図である。 図１の液晶ライトバルブの明視方向を示す図である。 図１の液晶ライトバルブのコントラスト曲線を示す図である。 図１の液晶ライトバルブの明視方向を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るプロジェクタに用いられる表示制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブの変形例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブの変形例を示す断面図である。 図１のフレキシブル基板を有する液晶ライトバルブの明視方向を示す図である。

符号の説明

ＰＪ１…プロジェクタ、１０…光源、６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ，６５Ｂ，６５Ｇ，６５Ｒ，３００Ｒ…透過型液晶ライトバルブ（第１変調素子）、９０…リレーレンズ（結像光学手段）、１００，１０５，２００Ｒ…透過型液晶ライトバルブ（第２変調素子）、１１０…投射レンズ（投射手段）

Claims (6)

1. 表示画像データに基づいて光源からの光を変調して画像を表示する画像表示装置であって、
   前記光源から射出された光のうちの全波長域の光、特定波長域の複数の光のうちのいずれか一方の光を変調する複数の単位画素を有する液晶ライトバルブからなる第１光変調素子と、
   該第１光変調素子と光路上に直列に配置され、前記全波長域の光、前記特定波長域の複数の光のうちの前記第１光変調素子で変調された光とは異なる光を変調する複数の単位画素を有する液晶ライトバルブからなる第２光変調素子とを備え、
   前記第１光変調素子及び前記第２光変調素子が、前記第１光変調素子の光学像の明視方向と前記第２光変調素子の明視方向とが略一致するように配置されていることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像させる結像光学手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記結像光学手段が倒立結像手段であり、
   前記第１光変調素子の光学像の明視方向と前記第２光変調素子の明視方向が略同一であるとともに、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子とは光軸回りに１８０°回転対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との単位画素の開口部形状が略同一であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記第１光変調素子が、異なる色光をそれぞれ変調する複数の光変調素子からなり、
   前記複数の光変調素子において変調された光を合成するダイクロイックプリズムを備え、
   該ダイクロイックプリズムを透過する光を射出する前記光変調素子の明視方向を基準にして前記第２光変調素子の明視方向を合わせることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像表示装置と、
   該画像表示装置から射出された光を投射する投射手段とを備えることを特徴とするプロジェクタ。

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