CN100445818C - 图像显示装置和投影机 - Google Patents

Abstract

本发明提供小型的投影机。具备：调制来自光源(10)的光的色调制光阀(60G)；调制来自色调制光阀(60G)的光的辉度调制光阀(100)；配置在色调制光阀(60G)与辉度调制光阀(100)之间的使色调制光阀(60G)的光学像在辉度调制光阀(100)的受光面上成像的中继透镜系统(90)；以及配置在构成中继透镜系统(90)的多个透镜之间的反射光学元件(94)、(96)。

Description

图像显示装置和投影机

技术领域

本发明涉及图像显示装置和投影机。

背景技术

近些年来，LCD(Liquid Crystal Display)、EL(Electro-luminescence)、等离子体显示器、CRT(Cathode Ray Tube)、投影机等的电子显示装置中的图像质量的改善很显著，在分辨率、色域方面，正在逐步地实现能够与人的视觉特性大致匹敌的性能。但是，就辉度动态范围来说，通常其再现范围是1～102(nit)左右的范围，此外，灰度数一般也就是8位。另一方面，人的视觉一次可感觉到的辉度动态范围是10-2～104(nit)左右，此外，辉度辨别能力是0.2(nit)左右，若将其换算成灰度数，则相当于12位。当通过这样的视觉特性观看现有的显示装置的显示图像时，很明显辉度动态范围狭窄，此外，由于阴影部分和高亮部分的灰度不足，所以会感到显示图像的真实感或生动性不够。

此外，在电影或游戏等中所使用的CG(Computer Graphics)中，使用具有接近于人的视觉的辉度动态范围或灰度特性的图像数据(以下称为HDR(高动态范围High Dynamic Range)图像数据)而追求表现的真实感已逐渐在成为主流。然而，由于显示它们的显示装置的性能不足，所以存在着不能充分地发挥CG内容原本所具有的表现力的课题。

此外，在下一代OS(Operating System)中预定要采用16位色空间，与现在的8位色空间相比，辉度动态范围或灰度数都将飞跃地增大。因此，可以预想人们希望实现能够有效地利用16位色空间的高动态范围·高灰度的电子显示装置。

在显示装置之中，液晶投影机、称为DLP(Digital Light Processing、TI公司商标)投影机的投影型显示装置，也是可进行大画面显示而在再现显示图像的真实感和生动性方面有效的显示装置。在该领域中，为了解决上述的课题而提出了以下的方案。

作为高动态范围的显示装置，例如，有在专利文献1所公开的技术，这种显示装置，具备光源、调制光的全波长范围的辉度的第2光调制元件、对于光的波长范围之中的RGB三原色的各个波长范围调制其波长范围的辉度的第1光调制元件，其中，由第2光调制元件调制来自光源的光而形成期望的辉度分布，使其光学像在第1光调制元件的显示面上成像并对其进行色调制，从而投影进行了2次调制的光。第2光调制元件和第1光调制元件的各个像素，可根据由HDR显示数据决定的第1控制值和第2控制值分别单独地进行控制。作为光调制元件，可使用具有能够独立地控制透过率的像素结构或分段结构、可控制2维的透过率分布的透过型调制元件。作为其代表例，可以举出液晶光阀。此外，也可以使用反射型调制元件来取代透过型调制元件，作为其代表例可以举出DMD(DigitalMicromirror Device数字微反射镜器件)。

下面，考虑使用暗显示的透过率为0.2％、亮显示的透过率为60％的光调制元件的情况。在光调制元件单体中，辉度动态范围为60/0.2＝300。由于上述显示装置相当于光学串联地配置辉度动态范围为300的光调制元件，所以能够实现300×300＝90000的辉度动态范围。此外，关于灰度数与上述同样的考虑是成立的，通过将8位灰度的光调制元件光学性串联地配置，能够获得超过8位的灰度数。

专利文献1：特开2001-100689号公报

在上述的专利文献1所述的发明中，存在着以下的问题，由于使用光学像差大的照明光学系统用的光学元件将在第1光调制元件形成的光学像传递给第2光调制元件，所以难以将具有所期望的光强度分布的照明光准确地传递到第1光调制元件上。

于是，本发明人等，开发了图17所示的投影机。图17所示的投影机是根据显示图像数据调制来自光源10的光以显示图像的投影机，其具有控制来自光源10的光的光传播特性的多个第1光调制元件60R、60G、60B；合成来自各个第1光调制元件的光的光合成装置80；控制由光合成装置合成的合成光的光传播特性的第2光调制元件100；将在上述第1光调制元件60R、60G、60B上形成的光学像传递到上述第2光调制元件100上的中继透镜系统90。

如果是这样的结构，则能够利用成像性能高的中继透镜系统90将在多个第1光调制元件60R、60G和60B上形成的光学像传递到第2光调制元件100上。由此，能够减小合成光传递时的光学像差。即，由于能够以比较高的精度向第2光调制元件100传递来自光合成装置80的合成光，所以与现有技术比较得到了能够提高上述合成光向第2光调制元件100成像的成像精度的效果。

图18是现有的中继透镜系统的说明图。但是，上述的中继透镜系统90，需要满足以下的各种性能：(1)为了确保投影机的充分的光束需要F数为2左右的亮度，(2)为了传递透过型液晶光阀的像素单位的光量分布需要10μm左右的分辨率，(3)为了避免由液晶的视角依赖性产生的图像质量劣化需要两侧远心特性。其中，当作为第1光调制元件60R、60G、60B和第2光调制元件100使用画面尺寸为1英寸左右的透过型液晶光阀时，兼具上述(1)～(3)的性能的中继透镜系统90会变成水平方向的长度为200mm或200mm以上的长的中继透镜系统。其结果，作为第1光调制元件与第2光调制元件之间的距离的共轭长度会变成300mm或300mm以上，从而存在投影机大型化的问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供能够实现小型化的图像显示装置和投影机。

为了实现上述目的，本发明的图像显示装置，是根据显示图像数据调制来自光源的光而显示图像的装置，其特征在于，具备：调制来自上述光源的光的第1光调制元件；调制来自上述第1光调制元件的光的第2光调制元件；配置在上述第1光调制元件与上述第2光调制元件之间的使上述第1光调制元件的光学像在上述第2光调制元件的受光面上成像的中继透镜系统；以及配置在构成上述中继透镜系统的多个透镜之间的至少1个反射光学元件。

特别优选地，上述中继透镜系统，利用上述反射光学元件使从上述第1光调制元件入射的光的行进方向反转而向上述第2光调制元件出射。

这样，与不采用反射光学元件的情况相比，采用反射光学元件使光路弯折的中继透镜系统的水平方向的长度变短了。因此，能够使图像显示装置小型化。

此外，优选地上述中继透镜系统具有两侧远心性。

通过具有两侧远心性，使画面的各个区域的图像对比度成为大致相同，从而能够提供具有良好的图像显示质量的图像显示装置。此外，由于具有两侧远心性的中继透镜系统由多个透镜构成，所以水平方向的长度变长。因此，通过采用反射光学元件使光路弯折，能够使图像显示装置小型化。

此外，优选地上述反射光学元件配置在构成上述中继透镜系统的多个透镜之中的上述反射光学元件的前级透镜组与上述反射光学元件的后级透镜组成为对称的位置上。

按照这种结构，则中继透镜系统的光学设计变得容易。

此外，优选地上述反射光学元件是反射型偏振器。

由于反射型偏振器是透过光束之中的一部分的偏振光而反射一部分的偏振光的偏振器，所以能够作为各个光调制元件的偏振片发挥作用。由此，由于能够省略各个光调制元件的偏振片，所以能够降低造价。

此外，优选地上述反射光学元件是线栅型偏振滤光器。

该线栅型偏振滤光器，由于结构简单所以能够容易地进行制造。此外，由于用无机材料构成，所以耐热性极其优良并且几乎不会产生光吸收。因此，通过省略各个光调制元件的偏振片而使用线栅型偏振滤光器，能够提高图像显示装置的耐热性。

另外，上述反射光学元件也可以是偏振光束分离器。

此外，优选地上述反射光学元件在反射棱镜的棱镜面上形成。

通过采用反射棱镜，使中继透镜系统的空气换算光程变短。因此，将减少中继透镜系统的光学设计上的制约。

另一方面，本发明的投影机的特征在于，具备上述的图像显示装置和投影装置。

按照这种结构，能够使投影机小型化。

附图说明

图1是本发明的图像显示装置(投影机)的侧视图。

图2是本发明的图像显示装置(投影机)的平面剖面图。

图3是表示实施例的中继透镜系统的结构的侧视图。

图4是远心性的说明图。

图5是采用偏振光束分离器的中继透镜系统的侧视图。

图6是采用反射棱镜的中继透镜系统的侧视图。

图7是在中继透镜系统中采用1个反射光学元件时的投影机的平面图。

图8是表示显示控制装置的硬件结构的框图。

图9是辉度调制光阀的控制值登录表的数据结构图。

图10是色调制光阀的控制值登录表的数据结构图。

图11是控制值生成方法的流程图。

图12是色调映射处理的说明图。

图13是假定色调制光阀的透过率时的说明图。

图14是计算与色调制光阀的各个像素对应的辉度调制光阀的各个区域的透过率时的说明图。

图15是确定辉度调制光阀的各个像素的透过率时的说明图。

图16是确定色调制光阀的各个像素的透过率时的说明图。

图17是本申请发明人等开发出的投影机的平面图。

图18是现有的中继透镜系统的说明图。

标号说明

10-光源，60G-色调制光阀，90-中继透镜系统，94、96-反射光学元件，100-辉度调制光阀。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施例。

实施例1.

图1和图2是本实施例的图像显示装置和投影机的一个例子，是表示投影机PJ1的主要的光学结构的图。图1是侧视图，图2(a)是图1的A-A线的平面剖面图，图2(b)是图1的B-B线的平面剖面图。

如图1和图2所示，投影机PJ1构成为，具备：光源10；使从光源10入射的光的辉度分布均匀化的均匀照明系统20；分别调制从均匀照明系统20入射的光的波长范围之中的RGB3原色的辉度的色调制部25(包括作为第1调制装置的3个透过型液晶光阀60B、60G、60R)；对从色调制部25入射的光进行中继的中继透镜系统90；作为对从中继透镜系统90入射的光的整个波长范围的辉度进行调制的第2调制装置的透过型液晶光阀100；向屏幕(未图示)上投影从液晶光阀100入射的光的投影透镜110。

投影机的整体结构.

光源10构成为，具备由超高压水银灯或氙灯等构成的灯11和反射·聚焦来自灯11的射出光的反射器12。

均匀照明系统20构成为，具备由蝇眼透镜等构成的2个透镜阵列21、22；偏振变换元件23和聚焦透镜24。并且，利用2个透镜阵列21、22使来自光源10的光的辉度分布均匀化，利用偏振变换元件23使均匀化的光在色调制部的可入射的偏振方向上偏振，利用聚焦透镜24使偏振的光向色调制部25射出。另外，偏振变换元件23，由例如PBS(偏振光束分离器)阵列和1/2波阻片构成，是将随机偏振光变换成特定的线偏振光的元件。

色调制部25构成为，具备：作为光分离装置的2个分色镜30、35；3个反射镜(反射镜36、45、46)；5个场透镜(透镜41、中继透镜42、平行化透镜50B、50G、50R)；3个液晶光阀60B、60G、60R；十字分色棱镜80。

分色镜30、35将来自光源10的光(白色光)分离(分光)成红色光(R光)、绿色光(G光)、蓝色光(B光)的RGB3原色光。分色镜30是在玻璃板等上形成有反射B光和G光而透过R光的性质的分色膜的部件，其反射含于来自光源10的白色光内的B光和G光而透过R光。分色镜35是在玻璃板等上形成有反射G光而透过B光的性质的分色膜的部件，在透过了分色镜30的G光和B光之中，其反射G光并将其传递到平行化透镜50G，使B光透过而传递到透镜41。

中继透镜42是将透镜41附近的光(光强度分布)传递到平行化透镜50B附近的部件，透镜41具有使光有效地入射到中继透镜42的功能。入射到透镜41上的B光在保持其强度分布的状态下而且几乎不伴有光损耗地传递到在空间上分离的液晶光阀60B上。

平行化透镜50B、50G、50R具有使入射到对应的液晶光阀60B、60G、60R的各色光大致平行化而使得入射光的角度分布变窄，从而提高液晶光阀60B、60G、60R的显示特性的作用。并且，在分色镜30、35分光的RGB3原色的光经由上述的反射镜(反射镜36、45、46)和场透镜(透镜41、中继透镜42、平行化透镜50B、50G、50R)入射到液晶光阀60B、60G、60R上。

液晶光阀60B、60G、60R是在矩阵状地形成了像素电极和用于对其进行驱动的薄膜晶体管或薄膜二极管等的开关元件的玻璃基板与遍及整个面地形成了共用电极的玻璃基板之间夹持TN型液晶，并且在外表面配置了偏振片的有源矩阵型的液晶显示元件。

此外，液晶光阀60B、60G、60R，能够以在电压非施加状态下成为白/亮(透过)状态而在电压施加状态下成为黑/暗(非透过)状态的常白模式或者与之相反的常黑模式进行驱动，并能根据供给电极间的控制值(控制电压)模拟控制亮暗间的灰度。液晶光阀60B，根据控制值对入射的B光进行光调制，射出内含光学像的调制光。液晶光阀60G，根据控制值对入射的G光进行光调制，射出内含光学像的调制光。液晶光阀60R，根据控制值对入射的R光进行光调制，射出内含光学像的调制光。

十字分色棱镜80，由将4个直角棱镜粘合的构造构成，在其内部，反射B光的电介质多层膜(B光反射分色膜81)与反射R光的电介质多层膜(R光反射分色膜82)形成为剖面X形。于是，使来自液晶光阀60G的G光透过，而使来自液晶光阀60R的R光和来自液晶光阀60B的B光折转，从而对这3色的光进行合成并形成彩色图像。

中继透镜系统90，将在十字分色棱镜80合成的来自液晶光阀60B、60G、60R的光学像(光强度分布)传递到液晶光阀100的显示面上。本实施例的中继透镜系统90，使来自十字分色棱镜80的出射光向上方折射并向水平方向上折射，从而对于配置在十字分色棱镜80的上方的液晶光阀100传递光学像。至于中继透镜系统90的结构和功能将在后面详细地说明。

液晶光阀100，由与上述的液晶光阀60B、60G、60R相同的结构构成，其根据控制值调制入射的光的整个波长范围的辉度。然后，利用反射镜109使内含最终的光学像的调制光折射90度后向投影透镜100射出。

投影透镜110，将在液晶光阀100的显示面上形成的光学像投影到未图示的屏幕上而显示彩色图像。

下面，说明投影机PJ1的整体的光传递的流程。来自光源10的白色光，由分色镜30、35分离成红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的3原色光，并且经由包括平行化透镜50B、50G、50R的透镜和反射镜入射到液晶光阀60B、60G、60R上。该液晶光阀60B、60G、60R，由根据后述的HDR图像数据生成的控制值进行驱动，并以像素单位使光透过率变化。因此，入射到液晶光阀60B、60G、60R上的各色光，根据各自的波长范围进行色调制，并作为内含光学像的调制光射出。

来自液晶光阀60B、60G、60R的各个调制光，分别入射到十字分色棱镜80中，在此被合成为1个光而向中继透镜系统90入射。中继透镜系统90使入射的合成光向上方折射并向水平方向折射而传递到液晶光阀100。液晶光阀100也同样，其利用根据后述的HDR图像数据生成的控制值进行驱动，并以像素单位使光透过率变化。因此，入射到液晶光阀100上的合成光，对于整个波长范围被进行辉度调制，并作为内含最终的光学像的调制光向投影透镜110射出。然后，在投影透镜110中，将来自液晶光阀100的最终的合成光投影到未图示的屏幕上而显示所期望的图像。

这样，在投影机PJ1中，采用了使用在作为第1光调制元件的液晶光阀60B、60G、60R形成光学像(图像)的调制光，并用作为第2光调制元件的液晶光阀100形成最终的显示图像的方式，经由串联地配置的2个光阀利用2级图像形成过程调制来自光源10的光。其结果，投影机PJ1能够实现辉度动态范围的扩大和灰度数的增大。

此外，在投影机PJ1中，由于通过成像性能优良的中继透镜系统90将作为第2光调制元件的液晶光阀100配置在作为第1光调制元件的液晶光阀60B、60G、60R和十字分色棱镜80的后级上，所以与将液晶光阀100配置在分色镜30、35和液晶光阀60B、60G、60R的前级的现有的类似的光学系统比较，能够降低传递光的光学像差并提高成像(传递)精度。

在这里，液晶光阀60B、60G、60R和液晶光阀100，虽然在它们的任何一者都对透过光的强度进行调制并内含与其调制程度对应的光学像这一点上是一致的，但后者的液晶光阀100调制整个波长范围的光(白色光)，而前者的液晶光阀60B、60G、60R对由作为光分离装置的分色镜30、35分离的特定的波长范围的光(R、G、B等的色光)进行调制，在这一点上二者是不同的。因此，为了方便起见将用液晶光阀60B、60G、60R进行的光强度调制称为色调制，而将用液晶光阀100进行的光强度调制称为辉度调制以加以区别。此外，出于同样的观点，在以下的说明中，有时将液晶光阀60B、60G、60R称为色调制光阀，而将液晶光阀100称为辉度调制光阀以示区别。

并且，至于向色调制光阀和辉度调制光阀输入的控制值的内容将在后面叙述。另外，在本实施例中，色调制光阀具有比辉度调制光阀更高的分辨率，因此，假定由色调制光阀确定显示分辨率(当观察者看到投影机PJ1的显示图像时观察者所感觉到的分辨率)的情况。当然，显示分辨率的关系并不限于此，可以采用相同分辨率的色调制光阀和辉度调制光阀，此外，也可以采用辉度调制光阀具有比色调制光阀更高的分辨率，而由辉度调制光阀确定显示分辨率的结构。

中继透镜系统.

下面，使用附图详细地说明中继透镜系统的结构和功能。

图3是表示本实施例的中继透镜系统90的结构的侧视图。另外，在图3中，为了容易理解，虽然以1个色调制光阀60代表3原色用的3个色调制光阀，而且，图示省略了处于色调制光阀60与中继透镜系统90之间的十字分色棱镜，但从光学上看，图1与图2的结构是等效的。

图3的中继透镜系统90是将各个色调制用的液晶光阀60B、60G、60R的光学像成像在液晶光阀100的像素面上的光学系统，是由相对于孔径光阑95大致对称地配置的前级透镜组92和后级透镜组98构成的等倍成像透镜。前级透镜组92和后级透镜组98包括多个凸透镜和凹透镜，具有两侧远心性。但是，透镜的形状、大小、配置间隔和枚数、远心性、倍率及其它的透镜特性，可根据所要求的特性适当地进行变更，并不限于图3的例子。由于中继透镜系统90由多枚透镜构成，所以像差校正好，能够准确地向液晶光阀100传递由各个色调制用的液晶光阀60B、60G、60R形成的辉度分布。

图4是远心性的说明图，图4(a)是具有两侧远心性的中继透镜系统，图4(b)是不具有两侧远心性的中继透镜系统。

在图4(b)的中继透镜系统190中，从色调制光阀60出射的光经由透镜195向辉度调制光阀100传递。在该情况下，从色调制光阀60的各个区域向指定的角度范围出射的光之中只有向一部分的角度范围出射的光191传递到了辉度调制光阀100上。并且，在色调制光阀60的各个区域中，出射到不同的角度范围的光传递到辉度调制光阀100上。另一方面，对于辉度调制光阀100的各个区域，光以不同的角度入射。然而，由于通常液晶光阀具有视角依赖性，所以对比度因光的出入射角度而不同。并且，当利用对于液晶光阀的各个区域以不同的角度出入射的光时，在画面的各个区域中显示图像的对比度就会成为各不相同，从而投影机的图像显示质量将降低。

对此，在图4(a)的中继透镜系统90中，从色调制光阀60出射的光经由前级透镜92、光阑95和后级透镜98传递到辉度调制光阀100上。在该情况下，在从色调制光阀60出射的光61之中只有中央部分的光91传递到了辉度调制光阀100上。即，只有对于中继透镜系统90的光轴大致平行地从色调制光阀60的各个区域出射的光91被利用。这样，对于来自液晶光阀的任何区域的出射光，利用相同角度范围的出射光的性能都是出射侧远心性。此外，对于液晶光阀的任何区域，以相同的角度范围入射光的性能都是入射侧远心性。于是，由于中继透镜系统90具有两侧远心性，所以画面的各个区域的图像对比度成为大致相同，因而能够提供具有良好的图像显示质量的投影机。

返回到图3，在本实施例的中继透镜系统90中，在多个透镜之间至少配置了1个反射光学元件94、96使光路弯折。另外，从光学设计的容易性的观点看，优选地按照位于反射光学元件94、96前级的透镜组和后级的透镜组大致对称的方式配置反射光学元件94、96。在图3中，按照前级透镜组92与后级透镜组98对称地配置的方式，在光阑95和前级透镜组92之间配置前级反射光学元件94，在光阑95与后级透镜组98之间配置了后级反射光学元件96。

该前级反射光学元件94配置为使得从中继透镜系统90的入口水平地入射的光向上方反射。此外，后级反射光学元件96配置为使得被前级反射光学元件反射的光朝向中继透镜系统90的出口水平地反射。即，中继透镜系统90构成为，利用反射光学元件94、96使从色调制光阀60入射的光的行进方向反转而向辉度调制光阀100出射。因此，采用反射光学元件94、96的中继透镜系统90的水平方向的长度与不采用反射光学元件的情况下的水平方向的长度相比，变成一半左右。由此。能够使投影机小型化。

作为上述的各个反射光学元件94、96，能够采用反射镜。此外，除了反射镜以外，也可以采用线栅型偏振滤光器或偏振光束分离器等的反射型偏振器。反射型偏振器透过光束之中的一部分的偏振光而反射一部分的偏振光。特别是能够使用透过彼此正交的线偏振光之中的一方而反射另一方的偏振器。另外，可以在前级反射光学元件94和后级反射光学元件96的双方都采用反射型偏振器，也可以一方采用反射型偏振器而另一方采用反射镜。

作为反射型偏振器，具体地说，使用将多个具有双折射性的薄膜A和不具有双折射性的薄膜B叠层的多层结构薄膜。其中，构成为使得薄膜A的X方向的折射率与薄膜B的折射率成为相同。在该情况下，由于在X方向上不存在各层间的折射率差，所以入射到多层结构薄膜上的X方向的线偏振光原样地透过。另一方面，入射到多层结构薄膜上的Y方向的线偏振光在薄膜A与薄膜B的界面上被反射。这时，预先用与入射光的波长的关系适当地设定薄膜A与薄膜B的膜厚比。

此外，作为反射型偏振器，也可以采用线栅型偏振滤光器。线栅型偏振滤光器是构造双折射型偏振片的一种，具有在形成于透明基板上的金属薄膜上形成了向指定方向延伸的微细的沟的结构。该金属薄膜能够使用铝或钨等利用蒸镀法或溅射法等形成。此外，微细沟能够利用2光束干涉曝光法、电子束描绘法、X射线光刻法等与蚀刻组合地形成。此外，该微细沟的间距形成得比进行反射的光的波长更短。由此，能够反射与微细沟平方向的线偏振光而透过垂直方向的线偏振光。该线栅型偏振滤光器，由于结构简单，所以能够容易地制造。此外，由于由无机材料构成，所以具有极其优良的耐热性并且几乎不产生光吸收。

图5是采用偏振光束分离器的中继透镜系统的侧视图。作为中继透镜系统290的反射光学元件294、296，也可以采用作为反射型偏振器的一种的偏振光束分离器。在该情况下，也能够得到与别的反射型偏振器同样的效果。

另外，色调制光阀所采用的液晶面板构成为由一对基板夹持液晶层。在一对基板的内侧分别形成了电极和取向膜，在一对基板的外侧分别配置有偏振片。该偏振片仅使指定方向的线偏振光透过，各个偏振片配置为使得透过轴交叉90度。于是，通过利用一对基板的电极给液晶层施加电场使液晶分子的取向变化，而控制入射到液晶面板上的线偏振光的偏振方向，进行图像显示。

上述的反射型偏振器都是透过正交的线偏振光之中的一方而反射另一方的偏振器。因此，如果作为中继透镜系统的反射光学元件采用反射型偏振器，就能够使该反射型偏振器起液晶面板的偏振片的作用。具体地说，作为图3的前级反射光学元件94所采用的反射型偏振器，能够作为色调制光阀60的出射侧偏振片发挥作用，作为后级反射光学元件96所采用的反射型偏振器，能够作为辉度调制光阀100的入射侧偏振片发挥作用。另外，使各个反射型偏振器的反射轴方向与对应的偏振片的透过轴方向一致。

这样，由于只要使中继透镜系统90的反射型偏振器作为液晶面板的偏振片发挥作用就能够省略液晶面板的偏振片，所以能够降低造价。另外，通常液晶面板的偏振片通过在聚乙烯醇等的偏振基材上吸附碘等的偏振元件而构成。这样由有机材料构成的偏振片存在着耐热性低的问题。特别是在投影机中，为了提高图像的辉度而需要从光源照射强光。因此，使用多枚偏振度低的偏振片来抑制各个偏振片的发热。对此，由无机材料构成的线栅型偏振薄膜，其耐热性是优良的。因此，如果作为中继透镜系统的反射光学元件采用线栅型偏振薄膜，就能够提高投影机的耐热性，因而能够提高图像的辉度。

图6是采用反射棱镜的中继透镜系统的侧视图。在图6的中继透镜系统390中，反射棱镜395配置在前级透镜组92的出口与后级透镜组98的入口之间。该反射棱镜由折射率超过1.0的玻璃等介质构成。此外，在反射棱镜395的与各个透镜组92、98的相对面的相反侧的下端部和上端部设置有倾斜的反射面394、396。因此，从前级透镜组92入射到反射棱镜395上的光由反射膜394向上方反射，并由反射面396向水平方向反射，而从反射棱镜395向后级透镜组98出射。该反射膜394、396与上述同样，能够由反射镜或反射型偏振器、线栅型偏振滤光器等构成。

然而，与图18所示的直线配置的现有的中继透镜系统比较，在图3或图5的光路弯折的中继透镜系统中，存在着需要展宽前级透镜组92与后级透镜组98之间的间隔而在中继透镜系统的光学设计上产生制约的倾向。对此，如图6所示，在采用反射棱镜395的中继透镜系统390中，由于在前级透镜组92与后级透镜组98之间配置有折射率超过1.0的介质，所以作为光学长度的空气换算光程变短。因此，与图3或图5的情况比较，中继透镜系统的光学设计上的制约减小了。

图7是在中继透镜系统中采用1个反射光学元件时的投影机的平面图。在上述的中继透镜系统中，都采用2个反射光学元件使入射光的光路向上方弯折并向水平方向弯折，从而使其从与入射光相反的方向出射。对此，也可以如图7所示的中继透镜系统490那样，仅采用1个反射光学元件495，使入射光的光路仅向水平方向弯折。在这种情况下，采用反射光学元件的中继透镜系统490的水平方向的长度与图18所示的不采用反射光学元件的中继透镜系统的水平方向的长度比较，也成为一半左右。由此，就能够使投影机小型化。此外，图7的中继透镜系统490，与图3所示的采用2个反射光学元件94、96的中继透镜系统90比较，具有光利用效率高的优点。

液晶光阀的调制的具体例.

下面，详细地对基于显示图像数据的色调制光阀和辉度调制光阀的调制的具体例进行说明。

在投影机PJ1(参看图1)中，通过用由图像信号生成的色调制信号驱动色调制光阀(图1所示的液晶光阀60B、60G、60R)、用辉度调制信号驱动辉度调制光阀(图1所示的液晶光阀100)，实现辉度动态范围的扩大和灰度数的增大。液晶光阀的调制控制利用其次说明的显示控制装置进行。

图8是表示显示控制装置200的硬件结构的框图。

如图8所示，显示控制装置200，由根据控制程序对运算和系统整体进行控制的CPU170、在指定区域预先存储有CPU170的控制程序的ROM172、用于存储从ROM172等中读出的数据或在CPU170的运算过程中所需要的运算结果的RAM174、对于外部装置进行数据的输入输出的中介的I/F178构成。它们用作为用于传送数据的信号线的总线179相互连接且能够进行数据授受。

在I/F178上，作为外部装置连接有驱动辉度调制光阀和色调制光阀的光阀驱动装置180、将数据或表等作为文件存储的存储装置182、用于与外部的网络199连接的信号线。

在存储装置182内存储有用于驱动辉度调制光阀和色调制光阀的HDR显示数据和控制值登录表。

HDR图像数据是能够实现现有的sRGB等的图像格式无法实现的高的辉度动态范围的图像数据，对于图像的全部像素存储了表示像素的辉度级的像素值。在本实施例中，作为HDR图像数据使用对于1个像素将对RGB3原色中的每一种原色表示辉度级的像素值作为浮点小数值存储的形式。例如，作为1个像素的像素值存储了(1.2、5.4、2.3)这样的值。此外，作为存储的值存储与放射辉度(Radiance)或辉度(Luminance)等的物理辉度有关的值也是其特征。由于放射辉度是针对人的视觉特性的辉度，所以在以后的说明中不加区别而将二者称为辉度。

另外，至于HDR图像数据的生成方法的详细情况，例如，在“P.E.Debevec，J.Malik，“Recovering High Dynamic Range RadianceMaps from Photographs”，Proceedings of ACM SIGGRAPH97，pp.367-378(1997)”有所记载。

图9是登录了用于向辉度调制光阀输入的控制值的控制值登录表400的数据结构的说明图。控制值登录表(查找表：LUT)400的各个记录的构成为包括登录了辉度调制光阀的控制值的区段、登录了与各个控制值对应的辉度调制光阀的透过率的区段。

在图9的例子中，在第1段的记录中，作为控制值登录了“0”，作为透过率登录了“0.003”。这表明当对于辉度调制光阀输入了控制值“0”时，辉度调制光阀的透过率就成为0.3％。另外，在图9中虽然例示的是辉度调制光阀的灰度数为4位(0～15值)的情况，但实际上登录了相当于辉度调制光阀的灰度数的记录。例如，当灰度数为8位时，登录256个记录。

图10是登录了用于向辉度调制光阀输入的控制值的控制值登录表420R的数据结构的说明图。控制值登录表(查找表：LUT)420R的各个记录构成为包括登录了图2的色调制光阀60R的控制值的区段，登录了色调制光阀60R的透过率的区段。

在图10的例子中，在第1段的记录中，作为控制值登录了“0”，作为透过率登录了“0.004”。这表明当对于色调制光阀输入了控制值“0”时，辉度调制光阀的透过率成为0.4％。另外，在图10中虽然例示的是色调制光阀的灰度数为4位(0～15值)的情况，但实际上登录了相当于色调制光阀的灰度数的记录。例如，当灰度数为8位时，登录256个记录。

此外，对于与图2的色调制光阀60B、60G对应的控制值登录表的数据结构虽然未特别地图示，但与图10的控制值登录表420R具有同样的数据结构。但是，有时对于相同控制值也登录不同的透过率。

显示控制方法.

下面，对由上述的HDR图像数据生成各个光阀的控制值以驱动投影机的方法进行说明。

现在，当设HDR图像数据的像素p的辉度级为Rp，设与投影机整体的像素p对应的区域的光调制率为Tp，设与辉度调制光阀的像素p对应的区域的透过率为T1，设与色调制光阀的像素p对应的区域的透过率为T2时，则下式(1)、(2)成立。

Rp＝Tp×Rs       (1)

Tp＝T1×T2×G    (2)

其中，在上式(1)、(2)中，Rs是光源的辉度，G是增益，它们都是常数。

例如，当设像素p的辉度级Rp(R、G、B)为(1.2、5.4、2.3)，设光源的辉度Rs(R、G、B)为(1000、1000、1000)时，则像素p的光调制率Tp成为(1.2、5.4、2.3)/(1000、1000、1000)＝(0.00012、0.00054、0.00023)。

图11是控制值的生成方法的流程图。

首先，在步骤S100中，CPU170从存储装置182中读出HDR图像数据。

接着，转移到步骤S102，分析所读出的HDR图像数据，并计算像素值的直方图或辉度级的最大值、最小值和平均值等。该分析结果，用于使暗的场景变亮、使过亮的场景变暗、或者用于协调中间部对比度等的自动图像修正、或者用于色调映射。

接着，转移到步骤S104，根据步骤S102的分析结果，将HDR图像数据的辉度级色调映射到投影机的辉度动态范围上。

图12是色调映射处理的说明图。对HDR图像数据进行分析的结果，含于HDR图像数据中的辉度级的最小值设为Smin，最大值设为Smax。此外，投影机的辉度动态范围的最小值设为Dmin，最大值设为Dmax。在图12的例子中，由于Smin比Dmin小，Smax比Dmax大，所以这样就无法适当地显示HDR图像数据。因此，进行归一化而将Smin～Smax的直方图收纳在Dmin～Dmax的范围内。

另外，至于色调映射的详细情况，例如在“F.Drago，K.Myszkowski，T.Annen，N.Chiba，“Adaptive Logarithmic Mapping For DisplayingHigh Contrast Scenes”，Eurographics 2003，(2003)”中有记载。

接着，转移到图11的步骤S106，对照色调制光阀的分辨率(像素数)对HDR图像进行尺寸调整(扩大或缩小)。这时，保持HDR图像的纵横比不变地对HDR图像进行尺寸调整。作为尺寸调整方法，例如，可以举出平均值法、中间值法、最近邻法(最近旁法)。

接着，转移到步骤S108，根据尺寸调整图像的各个像素的辉度级Rp和光源10的辉度Rs，利用上式(1)对于尺寸调整图像的各个像素计算光调制率Tp。

接着，转移到步骤S110，作为色调制光阀的各个像素的透过率T2假定初始值(例如，0.2)。

接着，转移到步骤S112，对于与色调制光阀的各个像素对应的辉度调制光阀的区域计算透过率T1’。具体地说，根据在步骤S108中计算出的光调制率Tp、在步骤S110中假定的透过率T2和增益G，利用上式(2)计算该区域的透过率T1’。其中，由于用3枚液晶光阀60B、60G、60R构成色调制光阀，所以要对相同区域以RGB3原色中的每一种原色的方式计算透过率T1’。并且，由于辉度调制光阀由1枚液晶光阀100构成，所以将以RGB3原色中的每一种原色的方式计算出的透过率的平均值作为该区域的透过率T1’。

接着，转移到步骤S114，对于辉度调制光阀的各个像素计算透过率T1。具体地说，计算在步骤S112中计算出的辉度调制光阀的各个区域的透过率T1’之中的与辉度调制光阀的像素重叠的区域的透过率T1’的加权平均值，求该像素的透过率T1。利用重叠的像素的面积比进行加权。

接着，转移到步骤S116，从图9所示的控制值登录表400中读出与对于辉度调制光阀的各个像素计算出的透过率T1对应的控制值。在读出控制值时，从控制值登录表400中选出与所计算出的透过率T1最近似的透过率，读出与所选出的透过率对应的控制值。该选出，例如通过使用2分搜索法而实现高速的检索。

接着，转移到图11的步骤S118，对于色调制光阀的各个像素计算透过率T2。具体地说，计算在步骤S114中所计算出的辉度调制光阀的各个像素的透过率T1之中在光路上与色调制光阀的像素重叠的像素的透过率T1的加权平均值。利用重叠的像素的面积比进行加权。然后，根据所计算出的透过率T1的平均值、在步骤S118中所计算出的光调制率Tp和增益G，利用上式(2)计算该像素的透过率T2。

接着，转移到步骤S120，从图10所示的控制值登录表420R等中读出与对于色调制光阀的各个像素所计算出的透过率T2对应的控制值。在读出控制值时，从控制值登录表420R等中选出与所计算出的透过率T2最近似的透过率，读出与所选出的透过率对应的控制值。该选出，例如通过使用2分搜索法而实现高速的检索。

接着，转移到图11的步骤S122，将在步骤S116、S120中确定的控制值存储到光阀驱动装置内。然后，向各个光阀输出光阀驱动装置所存储的控制值以对它们进行驱动。

控制值的生成方法.

下面，根据图11～图16说明向色调制光阀(液晶光阀60B、60G、60R)和辉度调制光阀(液晶光阀100)输入的控制值的生成过程。

在以下，以色调制光阀(液晶光阀60B、60G、60R)具有横18个像素×纵12个像素的分辨率和4位的灰度数，而辉度调制光阀(液晶光阀100)具有横15个像素×纵10个像素的分辨率和4位的灰度数的情况为例进行说明。此外，色调制光阀和辉度调制光阀的图都是从光源10侧看到的图。

图13是假定色调制光阀的透过率T2的过程的说明图。

在步骤S110(参看图11，以下相同)中，假定色调制光阀的各个像素的透过率T2。当设色调制光阀的左上4个分区的像素为p21(左上)、p22(右上)、p23(左下)、p24(右下)时，如图13所示，将初始值T20赋予像素p21～p24的透过率T2。

图14是对于与色调制光阀的各个像素对应的辉度调制光阀的区域计算透过率T1’的过程的说明图。

在步骤S112中，对于与色调制光阀的各个像素对应的辉度调制光阀的区域计算透过率T1’。当着眼于色调制光阀的像素p21～p24时，则如图14所示，如果设像素p21～p24的光调制率为Tp1～Tp4，设增益G为“1”，则与它们对应的辉度调制光阀的区域的透过率T11～T14能够利用下式(3)～(6)进行计算。

T11＝Tp1/T20        (3)

T12＝Tp2/T20        (4)

T13＝Tp3/T20        (5)

T14＝Tp4/T20        (6)

例如，当Tp1＝0.00012，Tp2＝0.05，Tp3＝0.02，Tp4＝0.01，T20＝0.1时，利用上式(3)～(6)得出，T11＝0.0012，T12＝0.5，T13＝0.2，T14＝0.1。

图15是确定辉度调制光阀的各个像素的透过率T1的过程的说明图。

在步骤S114中，确定辉度调制光阀的各个像素的透过率T1。由于辉度调制光阀与色调制光阀利用中继透镜系统90而处于彼此倒立成像的关系，所以色调制面板的左上4个分区的像素将在辉度调制光阀的右下部成像。因此，如图15(a)所示，将辉度调制光阀的右下4个分区的像素设为p11(右下)、p12(左下)、p13(右上)、p14(左上)。其中，由于色调制光阀与辉度调制光阀的分辨率不同，所以在光路上像素p11将与像素p21～像素p24(参看图14)重叠。由于色调制光阀分辨率为18×12，而辉度调制光阀的分辨率为15×10，所以根据各个光阀的像素数的最小公倍数，如图15(b)所示，能够将像素p11划分成6×6的矩形区域。于是，像素p11分别与像素p21～p24重叠的面积比成为25∶5∶5∶1。因此，能够利用下式(7)计算像素p11的透过率T15。

T15＝(T11×25+T12×5+T13×5+T14×1)/36        (7)

例如，当T11＝0.0012，T12＝0.5，T13＝0.2，T14＝0.002时，利用上式(7)得出T15＝0.1008。

对于图15(c)所示的像素p12～p14的透过率T16～T18，也与像素P11同样地能够通过计算由面积比得出的加权平均值来求出。

接着，在图11的步骤S116中，对辉度调制光阀的每一个像素从图9所示的控制值登录表400中读出与对于该像素计算出的透过率T1对应的控制值。例如，由于T15＝0.1008，所以当参照控制值登录表400后，则0.09为最近似的值。因此，作为像素p11的控制值从控制值登录表400中读出“8”。

图16是确定色调制光阀的各个像素的透过率T2的过程的说明图。

在步骤S118中，确定色调制光阀的各个像素的透过率T2。如上所述，由于色调制光阀与辉度调制光阀的分辨率不同，所以如图16(a)所示，像素p24在光路上与像素p11～像素p14(参看图15)重叠。此外，由于色调制光阀分辨率为18×12，而辉度调制光阀的分辨率为15×10，所以根据辉度调制光阀的像素数的最小公倍数，如图16(b)所示，能够将像素p24划分成5×5的矩形区域。于是，像素p24与像素p11～p14分别重叠的面积比成为1∶4∶4∶16。因此，能够利用下式(8)作为像素p11～p14的透过率的加权平均值计算与像素p24对应的辉度调制光阀的透过率T19。

T19＝(T15×1+T16×4+T17×4+T18×16)/25        (8)

并且，利用下式(9)将增益G设为“1”能够计算像素p24的透过率T24。

T24＝Tp4/T19        (9)

例如，当T15＝0.09，T16＝0.33，T17＝0.15，T18＝0.06，Tp4＝0.01时，利用上式(8)、(9)得出T19＝0.1188，T24＝0.0842。

对于图16(c)所示的像素P21～P23的透过率T21～T23，也与像素p24同样地能够利用计算由面积比得出的加权平均值来求出。

接着，在图11的步骤S120中，对色调制光阀的每一个像素，从图10所示的控制值登录表420R等中读出与对于该像素计算出的透过率T2对应的控制值。例如，对于液晶光阀60R的像素p24来说，当T24＝0.0842时，当参照控制值登录表420R后，则0.07为最近似的值。因此，从控制值登录表420R中作为像素p24的控制值读出“7”。

然后，在步骤S122中，将在步骤S116、S120中所确定的控制值存储到光阀驱动装置内。然后，通过向各个光阀输入光阀驱动装置所存储的控制值并进行光调制和辉度调制来驱动投影机。

其它的变形例.

在上述实施例中，虽然是以3扳式的投影机为例进行了说明，但在单板式的投影机中也能够应用本发明。该单板式的投影机主要由光源、均匀照明系统、第1光调制元件、中继透镜系统、第2光调制元件和投影透镜构成，当作为光源采用白色光源时，可在作为第1光调制元件或第2光调制元件的液晶光阀上配置滤色器。

此外，在上述实施例中，虽然以投影型显示装置为例进行了说明。但在直视型显示装置中也可以应用本发明。该直视型显示装置，是直接地观看在第2调制元件上调制的图像光。直视型显示装置具有适合于在明亮的场所观看的优点。

此外，在上述实施例中，虽然构成为对于用色调制光阀进行了色调制的光用辉度调制光阀进行辉度调制，但并不限于此，也可以构成为对于用辉度调制光阀进行了辉度调制的光用色调制光阀进行色调制。此外，虽然构成为使用辉度调制光阀和色调制光阀2级地对光的辉度进行调制，但并不限于此，也可以构成为使用2组辉度调制光阀对光的辉度2级地进行调制。

此外，在上述实施例中，虽然设计成作为光源10使用射出白色光的单体的光源，并将该白色光分离成RGB3原色的光，但并不限于此，也可以采用使用分别与RGB这3原色对应的射出红色光的光源、射出蓝色光的光源和射出绿色光的光源这3个光源而去除对白色光进行分离的装置的结构。

此外，在上述实施例中，虽然构成为作为液晶光阀60B、60G、60R、100使用有源矩阵型的液晶显示元件，但并不限于此，也可以构成为作为液晶光阀60B、60G、60R、100使用无源矩阵型的液晶显示元件和分段型的液晶显示元件。有源矩阵型的液晶显示具有能够进行精密的灰度显示的优点，无源矩阵型的液晶显示元件和分段型的液晶显示元件具有能够廉价地制造的优点。

此外，在上述实施例中，虽然由作为透过型的光调制元件的液晶面板构成辉度调制光阀或色调制光阀，但并不限于此，也可以由DMD(DigitalMicromirror Device)等的反射型的光调制元件构成。

此外，也可以在中继透镜系统与辉度调制光阀之间配置对光的偏振状态进行补偿的偏振补偿光学系统。作为偏振补偿光学系统，可以采用具有偏振补偿功能的电介质膜或使用整流器(Rectifier)的结构。

此外，在上述各个实施例中，虽然对在执行图11的流程图所示的处理时执行预先存储在ROM172内的控制程序的情况进行了说明，但并不限于此，也可以设计成从存储了表示这些步骤的程序的存储媒体中将该程序读入RAM174内来执行。

其中，所谓存储媒体是指RAM、ROM等的半导体存储媒体；FD、HD等的磁存储媒体；CD、CDV、LD、DVD等的光学读取方式的存储媒体；以及MO等的磁存储型/光学读取方式的存储媒体，不管是电子、磁、光学等的哪一种读取方式，只要是能够用计算机读取的存储媒体，包括任何存储媒体。

以上，虽然参看附图对本发明的优选的实施例进行了说明，但不言而喻，本发明并不限于这些实施例。只要是本领域的技术人员，在权利要求的范围所述的技术思想的范畴内，显然能够想象出各种的变更例或修正例，至于这些变更例和修正例当然也属于本发明的技术范围。

Claims (9)

1.一种图像显示装置，是根据显示图像数据调制来自光源的光而显示图像的装置，其特征在于，具备：

光源；

将来自上述光源的光分离的光分离元件；

调制上述光分离元件分离的光的3个第1光调制元件；

合成上述多个第1光调制元件调制的光的光合成元件；

调制上述光合成元件合成的光的第2光调制元件；

配置在上述光合成元件与上述第2光调制元件之间、使上述第1光调制元件的光学像在上述第2光调制元件的受光面上成像的中继透镜系统；以及

配置在构成上述中继透镜系统的多个透镜之间的1个反射光学元件，其中，上述反射光学元件被配置为向水平方向反射光。

2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：上述中继透镜系统，利用上述反射光学元件使从上述第1光调制元件入射的光的行进方向反转而向上述第2光调制元件出射。

3.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：上述中继透镜系统具有两侧远心性。

4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：上述反射光学元件配置在构成上述中继透镜系统的多个透镜之中的上述反射光学元件的前级透镜组与上述反射光学元件的后级透镜组成为对称的位置上。

5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：上述反射光学元件是反射型偏振器。

6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：上述反射光学元件是线栅型偏振滤光器。

7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：上述反射光学元件是偏振光束分离器。

8.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于：上述反射光学元件在反射棱镜的棱镜面上形成。

9.一种投影机，其特征在于，具备：权利要求1到8中的任意一项所述的图像显示装置；以及投影装置。

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