JP2004246278A - 投射表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】画像形成手段の近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する構成とした場合にも、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持することができ、良好な投射画像を得ることができる構成の投射表示装置を提供する。
【解決手段】放射光を放出する光源１１と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段１５ａ，１５ｂと、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂと、投射レンズ１７で構成される投射表示装置において、前記投射レンズ１７の物体面が前記光学素子１６ａ，１６ｂの焦点面より画像形成手段側に位置するように構成した。これにより高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】放射光を放出する光源１１と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段１５ａ，１５ｂと、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂと、投射レンズ１７で構成される投射表示装置において、前記投射レンズ１７の物体面が前記光学素子１６ａ，１６ｂの焦点面より画像形成手段側に位置するように構成した。これにより高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタ等の画像表示装置や露光装置等に応用される投射表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射表示装置の一つであるプロジェクタ機器の多くは、画像形成手段として液晶ライトバルブと呼ばれる液晶空間光変調素子を用いている。液晶ライトバルブは微細な画素を多数配列させた一種の画像表示素子で、プロジェクタは上記液晶ライトバルブにより画像を形成し、これを投射レンズによりスクリーンに投射するものである。液晶ライトバルブが備える画素の形状は正方形あるいは矩形をしており、サイズは１辺が数十μｍから１０数μｍあるいは数十μｍである。この画素サイズが投影画像の精細度を決定しており、画素が微細であればあるほど、より高精細な投影画像を得ることができる。しかし、画素の微細化すなわち小サイズ化には、液晶ライトバルブの製造プロセス上の問題がある。また、大画面化に対応するには画素数を増大させる必要がある。
【０００３】
液晶空間光変調素子である液晶ライトバルブは、透過型ライトバルブと反射型ライトバルブに大別される。透過型ライトバルブでは、画素を微細化したとしても、画素制御用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の画像形成に寄与しない部分の微細化が困難であり、画素を微細化しても、上記画像形成に寄与しない部分の面積が画素の面積に対して相対的に大きくなり、開口率が低下する難点がある。これに対して、反射型ライトバルブ（多くはシリコン基板上に形成されるので、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）と呼ばれている）では、画素電極（反射電極）の下に配線部を形成することが可能であるため、開口率あるいは反射率を向上させることができる。
【０００４】
しかしながら、強誘電性液晶を用いて表面安定化構造とした場合や、ネマチック液晶を用いて垂直配向モードにした場合は、液晶層がスイッチングするためには１μｍ程度の液晶層が必要であり、１０μｍ程度の画素サイズを実現することはできる。しかし、コントラスト、階調性及び均一性などで評価される画像品質を保持したまま、それより小さい５〜７μｍ以下の画素を実現することは非常に困難である。また、液晶ライトバルブ自体のサイズを増大させて、画素数を増大する方法もあるが、これは液晶ライトバルブのコストが指数的に増大すると同時に、光学系の大きさも増大し、より一層高コストの投射表示装置となる。
【０００５】
近年、プロジェクタや画像表示装置等に応用される投射表示装置としては、大画面化や高解像度化が増々要求されているが、液晶ライトバルブ等の画像形成手段の画素数を増大する方法では、上記のように製造コストの増大や装置の大型化の問題がある。
そこで、複数のライトバルブからの投射画素をスクリーン上で適宜位置をずらして表示することによって高解像度の投射表示装置を実現することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、光軸のシフトや偏向を行う素子（例えば、ウォブリング素子）を使って投射画素位置を高速に移動させ、見かけ上、ライトバルブの画素数以上の投射画素数にする表示装置が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、液晶ライトバルブからの出射光を投射するときに、光軸をシフトさせる素子を設けることにより、時分割で画素を増加させ、高解像度を実現する画像表示装置が提案されている。この画像表示装置では、偏光方向を旋回できる光学素子と、複屈折効果を有する透明素子とを、光軸シフト方向を直交させて２組用いることにより、縦２倍、横２倍で合計４倍に画像を高解像度化している。また、下記の特許文献２には、光軸をシフトすることにより、画素を実質的にΔ（デルタ）配列することが可能な装置が提案されている。尚、光軸のシフトや偏向を行うウォブリング素子としては、例えば、下記の特許文献３に記載の光学素子等がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−１１３３０８号公報
【特許文献２】
特開平９−２３０３２９号公報
【特許文献３】
特許第３２３９９６９号公報
【非特許文献１】
ＳＩＤ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ （Ｖｏｌ．ＸＸＸＩＩＩ，Ｎｏ．ＩＩ）２００２年、１２５４〜１２５７頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の画素ずらしを行う投射表示装置のように、複数個のライトバルブを用いて投射位置で画素をずらして高解像化を図る場合でも、ウォブリング素子等を使って画素をずらして高解像度化を図る場合でも、隣接投射画素同士の重なりが生じる。このため、１ラインを表示させるような投射画像であれば、画像のにじみが発生するという問題がある。
【０００９】
そこで、この問題を解消するには、画像形成手段であるライトバルブの近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する必要がある。この場合、ライトバルブの全画素を各々縮小させる光学系を通すため、例えば、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子を用いて一旦画素を小さくし、この画素縮小された画像を投射レンズでスクリーンに拡大投影する光学系が考えられる。
【００１０】
しかし、本発明者らがモンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡シミュレーションを行った結果、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子の焦点面付近に投射レンズのバックフォーカスを合わせると、投射画素はランプ光源の配向分布を反映したプロファイルとなってしまい、良好な投射画像が得られないことが分かった。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、画像形成手段であるライトバルブの近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する構成とした場合にも、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持することができ、良好な投射画像を得ることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
より詳しく述べると、請求項１，２に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項３に係る発明は、画像形成手段の画素以上を表示することができ、光源の配向分布の影響を低減し、かつ高解像性能を維持し、画像の硬さを低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項４に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項５に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、反射型表示素子で画像形成手段を構成することにより高解像度化に適すことができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項６に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子をコンパクトにすることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項７に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子をより一層コンパクトにすることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項８に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子の集光性能を高めることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項９に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減し、さらに、光利用効率を高めることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項１０に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、サブフィールドごとで投射画素の解像性能を揃えることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項１１に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ、画像の硬さを低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための手段として、請求項１に係る発明は、放射光を放出する光源と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段と、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子と、投射レンズで構成される投射表示装置において、前記投射レンズの物体面が前記光学素子の焦点面より画像形成手段側に位置することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２に係る発明は、放射光を放出する光源と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段と、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子と、投射レンズで構成される投射表示装置において、前記投射レンズから投射レンズ物体面までのバックフォーカス長が、前記投射レンズから前記画像形成手段までの光学的距離よりも長いことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の投射表示装置において、前記光学素子と前記投射レンズの間にウォブリング素子を配置したことを特徴とするものである。
また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記画像形成手段が透過型表示素子であることを特徴とするものである。
さらに、請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記画像形成手段が反射型表示素子であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応したマイクロレンズアレイであることを特徴とするものである。
また、請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応したマイクロミラーアレイであることを特徴とするものである。
さらに、請求項８に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応し、かつ光軸方向に沿って複数の曲面を有するマイクロレンズアレイであることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項３〜８のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光源からの放射光を画像形成手段に均一照明させる照明光学系が付加され、前記ウォブリング素子によって少なくとも１方向以上に光軸がシフトまたは偏向され、かつ一方向当たりのウォブリング段数の最大値をｍとし、前記照明光学系のＦナンバーをＦ１とし、投射レンズのＦナンバーをＦ２とするとき、
Ｆ２≦Ｆ１／ｍ
であることを特徴とするものである。
また、請求項１０に係る発明は、請求項３〜９のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記ウォブリング素子として、少なくとも２枚の透明基板によって挟持された強誘電性液晶を用いており、前記強誘電性液晶は透明基板に設置された電極に印加する電圧の切り換えによって基板法線方向に対して対称性を有することを特徴とするものである。
さらに、請求項１１に係る発明は、請求項３〜９のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記ウォブリング素子内の位相分布が鋸歯形状となる瞬間があることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
高解像な投射表示装置を実現するため、複数のライトバルブの投射画素の相対位置をずらすように配置し、ライトバルブの画素ピッチと投射レンズの投射倍率の積よりも小さくなる投射画素ピッチとする投射表示装置や、光軸のシフトや偏向を行うウォブリング素子等を使って投射画素位置を高速に移動させ、見かけ上、ライトバルブの画素数以上の投射画素数にする投射表示装置が提案されている。これらの高解像な投射表示装置において、ライトバルブの一画素をそのまま投射レンズでスクリーン上に投影すると、投射された隣接画素と重ね合わさる領域が生じ、細い線を投影した場合、画素のにじみが発生する。このため、画素ピッチを変化させずに画素ごとのサイズを縮小し、これらの画像を投射レンズでスクリーンに投影すれば隣接投射画像とのにじみを減らすことができる。
【００１９】
画素のサイズを縮小するにはライトバルブの画素ピッチに対応して、かつ正の屈折パワーを有する光学系を用いる必要がある。正の屈折パワーを有する光学系としては、マイクロレンズアレイや凹面反射ミラーなどを用いることができる。これらの光学系の焦点面では、ライトバルブの照明角度分布が強度分布となって現れる。現在、投射表示装置の光源としてはメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられることが多い。これらのランプの光強度の配向分布は、ランプ管球内の電極の影のため、放射角が０度の方向でピークにはならず、図４に示すような光強度の配向分布を示す。したがって、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系の焦点面に一致させると、投射画素の強度分布も図４に似た分布となってしまうという問題があった。
【００２０】
そこで請求項１に係る発明では、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系（光学素子）の焦点面よりも画像形成手段側に位置させる構成としたものであり、これによって、投射ピッチに対して投射画素サイズを小さくできるにもかかわらず、投射画素プロファイルはランプ配向分布の影響を低減することができる。さらに、隣接投射画素へは小さい相対強度で重なっており、投射画像の硬さ（シャープさ）が低減されるので、見やすい画像になる。
また、請求項２に係る発明では、投射レンズから投射レンズ物体面までのバックフォーカス長が、投射レンズから画像形成手段までの光学的距離よりも長いことを特徴としており、投射レンズ側から見た物体面位置を、正の屈折パワーを有する光学系の奥側に配置されている画像形成手段よりさらに遠方にすることで光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減している。
【００２１】
さらに請求項３に係る発明では、請求項１または請求項２記載の光学系を採用した投射表示装置に、画素ずらし手段としてウォブリング素子を採用し、正の屈折パワーを有する光学素子と投射レンズの間にウォブリング素子を配置したことにより、画像形成手段の画素以上の画素を表示することができるので、光源の配向分布の影響を低減し、かつ高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の構成、動作および作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
（実施例１）
まず、請求項１，２，４，６に対応する実施例を説明する。
図１は本発明の一実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。図１において、この投射表示装置は、ランプ光源１１と、照明光学系１２と、ビームスプリッタ１３ａ，１３ｂと、折り返しミラー１４ａ，１４ｂと、画像形成手段１５ａ，１５ｂと、正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂと、投射レンズ１７で構成されており、符号１８は画像が投射される投射面であるスクリーンを表している。ランプ光源１１としては、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられる。照明光学系１２としては、フライアイレンズとコンデンサレンズを使うフライアイインテグレータや、内部反射を利用したロッドレンズもしくはカライドスコープとリレーレンズを用いることができる。第一のビームスプリッタ１３ａは、照明光を２つの光束に分離するために用いられ、第二のビームスプリッタ１３ｂは分離された光束を合波するために用いられる。これらのビームスプリッタ１３ａ，１３ｂはハーフミラーでも偏光ビームスプリッタでも良い。正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂとしては、例えば、画像形成手段（例えば透過型表示素子である透過型ライトバルブ）１５ａ，１５ｂの画素ピッチに対応してマイクロレンズが二次元配列されたマイクロレンズアレイを用いることができる。
【００２４】
図２は、図１に示す投射表示装置の画像形成手段１５ａ，１５ｂと正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂとして用いられる、透過型ライトバルブ５０と正の屈折パワーを有する光学素子（一例としてマクロレンズアレイ）５４の一例を説明するための図である。図２は透過型ライトバルブ５０とマイクロレンズアレイ５４の要部を拡大した断面図で表しており、紙面上下方向に３つのアレイ分だけ記載した。実際の構成では数百から千を超えるアレイ数である。透過型ライトバルブ５０は２枚の透明基板５２ａ，５２ｂに液晶５３が挟まれ、各透明基板５２ａ，５２ｂの外側にはそれぞれ偏光板５１ａ，５１ｂが配置されている。また、図２では図示を省略しているが、透明基板５２ａ，５２ｂと液晶５３との間には配向膜、透明電極などが設置されている。透過型ライトバルブ５０からの画素の光は照明光の入射角分布に従って広がりを持った透過光として出射される。マイクロレンズアレイ５４はこの光を屈折し、集める働きを有する。
【００２５】
次に、正の屈折パワーを有する光学素子（例えばマイクロレンズアレイ）１６ａ，１６ｂの動作について図３を用いて説明する。光学素子１６ａ，１６ｂが無い場合の投射表示装置では、スクリーン１８上の投射画像は図３（ａ）に示すように一方のライトバルブ１５ａからの投射画像２１の各投射画素の境界付近に、もう一方のライトバルブ１５ｂからの投射画像２２の画素の中心が来るようにライトバルブの位置を調整する。この構成は、ライトバルブ１枚（例えば１５ａのみ）の投射表示装置に比べると、ほぼ同じ投射領域で２倍の画素数を実現できる。しかし、図３（ａ）に示すように２つの投射画像２１，２２を重ねた場合、投射隣接画素が重なる領域があるために、画素のにじみが発生する。このにじみを低減するために正の屈折パワーを有する光学素子（例えばマイクロレンズアレイ）１６ａ，１６ｂが用いられる。例えば、図３（ｂ）に示すように、ライトバルブ１５ａ，１５ｂからの投射画像２１，２２の投射画素ピッチを変えずに光学素子１６ａ，１６ｂで投射画素サイズを１／２にすると、隣接画素間でにじみは全く発生しなくなる。また、図３（ｂ）に示すサイズまで画素サイズを縮小しなくても、図３（ａ）の画素サイズと比較して０．５倍以上、１．０倍未満にすることによって、にじみを減らす効果は発現される。
【００２６】
さらに、非特許文献１に記載された投射表示装置（ただし、非特許文献１ではライトバルブは反射型である）のように、２台の投射表示装置のうち、１台を本実施例（反射型ライトバルブの直前に正の屈折パワーを有する光学素子を配置する（図示せず））のように構成することによって、にじみを低減することができる。また、２台の投射表示装置ともに、正の屈折パワーを有する光学素子を配置すれば、全３色の投射画素間でにじみを低減することができる。
【００２７】
（実施例２）
次に請求項２，３，５，６に対応する実施例を説明する。
図５は本発明の別の実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。図５において、この投射表示装置は、ランプ光源３１と、ランプ光源３１からの放射光を画像形成手段に均一照明させるための照明光学系３２と、照明光と投射光を分離するための偏光ビームスプリッタ３３と、正の屈折パワーを有する光学素子３４と、画像形成手段である反射型表示素子３５と、ウォブリング素子３６と、投射レンズ３７で構成されており、符号３８は画像が投射される投射面であるスクリーンを表している。ランプ光源３１には例えば超高圧水銀ランプやメタルハライドランプを用いることができる。また、照明光学系３２にはフライアイレンズと呼ばれるレンズアレイとコンデンサレンズを組み合わせることによって画像形成手段３５の面を均一照明することができる。さらに、本実施例では画像形成手段３５として反射型表示素子の一つである反射型ライトバルブを用いている。
【００２８】
次に図５に示す投射表示装置の正の屈折パワーを有する光学素子３４を画像形成手段３５と一体に構成した光学部材の一例を図６に示す。図６は正の屈折パワーを有する光学素子を反射型ライトバルブと一体化した構成の反射型表示素子（レンズ付反射型ライトバルブ）６０の拡大断面図である。図６では正の屈折パワーを有する光学素子（例えばマイクロレンズアレイ）６１が反射型ライトバルブ６０の構成要素に含まれている。このレンズ付反射型ライトバルブ６０では、液晶６４は透明基板６３とバックプレーン６５の間に挟まれている。そして透明基板６３には正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロレンズアレイ６１が接着層６２を介して接着されている。透明基板６３と液晶６４の間には配向膜や透明電極が、また、液晶６４とバックプレーン６５の間には配向膜、反射膜もしくはアルミミラーが設置されているが、これらの図示は省略する。尚、マイクロレンズアレイ６２の各アレイ（マイクロレンズ）は液晶画素に対応して配置されている。
【００２９】
図５において、ウォブリング素子３６としては、例えば、前記特許文献３に記載の光学素子を利用することができる。しかし、ウォブリング素子の方式は本発明の効果に影響を与えないため、特許文献３に記載の光学素子以外の方式のものでも良い。ウォブリング素子３６によって、例えば、水平・鉛直方向にそれぞれ２段のサブフィールド画像を得ることができる。本実施例では水平・鉛直方向にそれぞれ２段のウォブリングを行う投射表示装置の場合について説明する。しかし、本発明はウォブリングの段数に発明の効果が影響されることは無い。
【００３０】
図６に示すレンズ付反射型ライトバルブ６０のバックプレーン６５の液晶層側には画素表示のための反射板がアレイ状に配列されている（図示せず）。このアレイピッチに対応するマイクロレンズアレイ６１は、平行平板からなる透明基板６３と接着層６２を介して貼り合わされている。マイクロレンズアレイ６１および透明基板（平行平板）６３の屈折率を１．５２、接着層６２の屈折率を１．４０とし、マイクロレンズアレイ６１の各マイクロレンズのＦナンバーは１．３７、接着層６２の厚さ（最短距離）は４μｍ、透明基板（平行平板）６３の厚さは１０μｍとした。そして、モンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡を行い、投射面（スクリーン）３８での画素プロファイルを計算した。投射画像が最大空間周波数となる連続した画素が明、暗、明、暗、・・・となるとき、解像性能を示すＣＴＦ（Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は５９％であった。また、投射画素縮小率（ライトバルブ１枚のみを投射したときの投射画素ピッチに対する投射画素サイズの割合）は４４％であった。この場合、ＣＴＦが５０％を超えており、高解像と言える。
【００３１】
本実施例の構成で、投射レンズ３７の物体面（バックフォーカス位置）は画像形成手段３５である反射型ライトバルブ６０の画像形成面（図６の反射型ライトバルブ６０の液晶６４の面）よりさらに奥（図６では液晶６４よりさらに右側）で、液晶面から奥に１２μｍの位置であった。これは、投射レンズ３７側から見た時、反射型ライトバルブ３５（６０）の反射面よりさらに先の照明光路（ランプ光源３１から反射型ライトバルブ３５（６０）の液晶面までの経路）中、より具体的には接着層６２の中に投射レンズ物体面があることを意味している。したがって、本実施例の構成では、投射レンズ３７から投射レンズ物体面までのバックフォーカス長が、投射レンズ３７から画像形成手段３５（反射型ライトバルブ６０の液晶面）までの光学的距離よりも長いことになる。このような構成とすることにより、高解像性能を維持しながらランプ光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。また、本実施例では、画像形成手段３５として図６に示すような構成の反射型ライトバルブを用いるため、高画素数、高解像度化に適している。
【００３２】
（実施例３）
次に請求項１，３，５，６に対応する実施例を説明する。
本実施例では投射表示装置の全体構成は図５と同様であり、正の屈折パワーを有する光学素子３４と画像形成手段３５は図６と同様に一体化されている構成である。そして実施例２と同様に正の屈折パワーを有する光学素子はマイクロレンズアレイ６１で構成され、このマイクロレンズアレイ６１が反射型ライトバルブ６０の透明基板（平行平板）６３に接着層６２により接着されている。ここで、マイクロレンズアレイ６１と透明基板（平行平板）６３の屈折率を１．６３、接着層６２の屈折率を１．４０とし、マイクロレンズアレイ６１の各マイクロレンズのＦナンバーを１．１３、接着層の厚さ（最短距離）を４μｍ、透明基板（平行平板）６３の厚さを１０μｍとした。本実施例の構成でモンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡を行い、投射面（スクリーン）３８での画素プロファイルを計算した結果、投射画像のＣＴＦは８３％と十分高解像であった。また、縮小率は６５％であった。この場合、縮小率が５０％より大きい値であるため、隣接投射画素と重なる領域が存在する。しかし、この投射画素サイズは投射画像性能を劣化するほど大きくはない。
【００３３】
本実施例の構成では、投射レンズ３７の物体面（バックフォーカス位置）は図６の液晶層６４から投射レンズ側、すなわち図６で液晶６４から左側に８μｍ程度であった。マイクロレンズアレイ６１と接着層６２と透明基板（平行平板）６３によって正の屈折パワーを有する光学系を形成しているが、この光学系の焦点位置はマイクロレンズアレイ６１の曲面より投射レンズ側に存在する。従って、投射レンズ３７の物体面は、この焦点面より画像形成手段側（反射型ライトバルブ６０の液晶面側）に位置することになる。このような構成とすることにより、高解像性能を維持しながらランプ光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。
【００３４】
（実施例４）
次に請求項７に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様であるが、光学素子３４と画像形成手段３５の構成が実施例２，３とは異なっている。図７は本実施例で画像形成手段３５として用いるミラー付反射型ライトバルブ７０を説明するための図であり、この反射型ライトバルブ７０は、光学素子として液晶７２の各画素に対応したマイクロミラーアレイ基板７４を背面側に設けた構成となっている。図７において、液晶７２は、透明基板７１と、マイクロミラーアレイ基板７４の凹面形状を平坦化するための平坦化層７３に挟まれて配置される。透明基板７１と液晶７２との間には配向膜や透明電極が、また、液晶７２と平坦化層７３との間には配向膜が配置されるが、これらの図示は省略する。マイクロミラーアレイ基板７４の凹面形状の各マイクロミラーの曲率半径をアレイピッチＰの１３．６倍とし、透明基板７１と平坦化層７３の屈折率は１．８３とした。本実施例の構成で、マイクロミラーアレイ基板７４の各アレイ（凹面マイクロミラー）の焦点位置は液晶７２の位置から投射レンズ側、すなわち、図７で左側に６．７Ｐ（Ｐはアレイピッチの長さ）である。しかし、投射レンズ３７のバックフォーカス位置を液晶７２位置から投射レンズ側に３．６Ｐとした。
【００３５】
本実施例で、モンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡を行い、投射面（スクリーン）３８での画素プロファイルを計算した結果、投射画像のＣＴＦは８３％であり、投射された一画素の幅（半値全幅）は投射画素ピッチに対して５０％であった。この場合、投射解像性能を表すＣＴＦが５０％を大幅に越えており、高解像性能であることを示している。また、投射画素幅は隣接投射画像の半分になっており、ウォブリング素子３６で水平・鉛直方向にそれぞれ２段のサブフィールド画像を表示させる場合、良好な投射画像が得られる。尚、投射画素幅を半値全幅で示しており、画素ピーク強度の半分以下の強度となる画素領域は隣接画素と交わることになる。しかし、相対強度が低いため、解像性能を劣化させることは無く、かつ適度な強度で重ね合わさるため画像の硬さ（シャープさ）が低減される効果を有する。従って本実施例では、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロミラーアレイを用いるため光学素子をより一層コンパクトにすることができる。
【００３６】
（実施例５）
次に請求項８に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様であるが、光学素子３４と画像形成手段３５の構成が実施例２〜４とは異なっている。図８は、本実施例の画像形成手段と正の屈折率パワーを有する光学系を説明するための図であり、本実施例では、正の屈折率パワーを有する光学系が画像形成手段の構成要素の一部と共通化されており、レンズ付反射型ライトバルブ８０となっている。正の屈折率パワーを有する光学系は、２つのマイクロレンズアレイ８１，８３が接着層８２を介して接着されており、一方のマイクロレンズアレイ８３は画像形成手段８０の液晶８４を挟むための透明基板として利用される。液晶８４はマイクロレンズアレイ８３と、主にシリコンで構成されるバックプレーン８５とで挟まれている。また、マイクロレンズアレイ基板８３と液晶８４との間には配向膜と透明電極が、液晶８４とバックプレーン８５との間には配向膜と画素電極が施されるが、これらの図示は省略する。
【００３７】
本実施例の構成では、画像形成手段８０の各画素の光軸方向に沿って複数の曲面を有したマイクロレンズアレイ構造になっている。曲面数が多くなれば、同じ正の屈折パワーをマイクロレンズアレイ部に機能させる際、設計自由度が高くなる。また、焦点位置が同じになるようにマイクロレンズアレイ部分を設計すれば、一枚のマイクロレンズに比べて曲率半径を大きくすることができ、加工しやすくなる。本実施例では、投射レンズ３７の物体位置が２つのマイクロレンズアレイ８１，８３の組合せレンズの焦点位置よりも液晶側にすることによって良好な投射性能が得られる（尚、この動作は、実施例２と同等であるため説明を省略する）。従って、本実施例では、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、光軸方向に沿って複数の曲面を有するマイクロレンズアレイとすることによって、正の屈折パワーを有する光学素子の集光性能を高めることができる。
【００３８】
（実施例６）
次に請求項９に対応する実施例を説明する。
本実施例では、画像形成手段として図１，２に示したような透過型ライトバルブを用いた構成の投射表示装置で説明する。図１，２に示すような構成の投射表示装置では、正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂの倍率が１／２の場合、角度倍率は逆数の２倍となる。ここで、画像形成手段１５ａ，１５ｂを図２に示すような構成の透過型ライトバルブ５０とした場合に、図２の透過型ライトバルブ５０への照明光の入射角広がりをθ（入射角０度から最大θまで）とする。透過型ライトバルブ５０からの出射光の光線角度の広がりは、同じく、０度から最大θである。これらの光線がマイクロレンズアレイ５４で屈折され、マイクロレンズアレイ５４の倍率が１／２の場合、角度倍率が２倍となるため、マイクロレンズアレイ５４を出射する光線の広がりは０度から２θとなる。したがって、投射表示装置の照明光学系１２のＦナンバーをＦ１とし、投射レンズ１７のＦナンバーをＦ２と定義すると、照明光学系１２のＦナンバーＦ１と投射レンズ１７のＦナンバーＦ２は、
Ｆ２≦Ｆ１／２
を満たすと効率良く、スクリーン１８まで光線が届く。
【００３９】
さらに、光学素子１６ａ，１６ｂと投射レンズ１７の間にウォブリング素子などを配置し、ウォブリング素子などによる水平方向もしくは鉛直方向のウォブリング段数の最大値をｍとすれば、
Ｆ２≦Ｆ１／ｍ
を満たすことで投射表示装置の光利用効率を高くすることができる。また、前述の実施例に記載されたように、本実施例においても、投射レンズ１７の物体面位置を正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂの焦点面位置より画像形成手段１５ａ，１５ｂ側に、もしくは、画像形成手段面よりさらに奥側に設置することによって解像性能を高くすることができる。従って本実施例では、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、装置全体の光利用効率を高めることができる。
【００４０】
（実施例７）
次に請求項１０に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様とする。図９は、図５の投射表示装置のウォブリング素子３６として用いられるウォブリング素子の構成例を示す図である。このウォブリング素子９０は、短冊状の複数の電極９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆ，９２ｇが形成された２枚の透明基板９１ａ，９１ｂと、この２枚の透明基板９１ａ，９１ｂに挟まれた強誘電性液晶からなる液晶層９３で構成される。透明基板９１ａと液晶層９３の間、および透明基板９１ｂと液晶層９３の間にはそれぞれ配向膜が設置されるが、図示を省略している。透明基板９１ａ，９１ｂの法線をＺ軸とし、図９のようにＸ軸，Ｙ軸を定める。電圧が無印加のときに強誘電性液晶の分子がＺ軸を向くように配向する。電圧印加方向はＺ軸に垂直な方向、すなわち、ＸＹ平面内とする。図９の場合には、電極の方向をＹ軸とし、これら電極がＸ軸方向にアレイ化されている。これらの電極は金属でも透明電極（ＩＴＯ）でも良い。電極９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆ，９２ｇの順に印加電圧を高く（または低く）することによって、Ｘ軸に沿って電圧勾配を発生させることができる。そして、この電圧勾配の極性を切り替えることによって、液晶分子９４ａ（９４ｂ）の分子方向を＋θから−θ、−θから＋θに高速にスイッチングすることができる。尚、本実施例の電極構造は一例であって、Ｚ軸に垂直な面内で電圧勾配を切り替えることが可能であれば、どのような電極構造であっても本発明の効果に影響を与えない。
【００４１】
このような電圧制御によって液晶分子９４ａ（９４ｂ）は、ＸＺ面内でＺ軸からの分子方向を＋θから−θ、−θから＋θへと高速にスイッチングでき、液晶分子９４ａ（９４ｂ）がＺ軸から傾く。このとき、Ｘ方向に偏光方向を有する直線偏光がウォブリング素子９０に入射すると、液晶分子９４ａの場合、複屈折効果で＋Ｘ方向に光路が偏向される。また、液晶分子９４ｂの状態では、−Ｘ方向に光路が偏向される。本実施例の構成では液晶分子の２通りの配向状態９４ａ，９４ｂで光軸（Ｚ軸）に対して対称性を有するため、どちらの光路偏向状態も対称性を持つ。このため、投射画像においても対称性が保たれることになる。さらに、水平・鉛直方向それぞれに２段、合計４サブフィールドのウォブリングを行うには、ウォブリング素子９０を２個用意して、前段のウォブリング素子と後段のウォブリング素子の電極方向を直交させるように配置すれば良い。
【００４２】
以上の説明の様に、本実施例では、強誘電性液晶を用いたウォブリング素子９０を請求項３〜請求項９に記載の投射表示装置に組み込むことによって、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。さらに、強誘電性液晶の特性によって高速なウォブリングが可能であるため、サブフィールド間のチラツキを少なくすることができる。
【００４３】
（実施例８）
次に請求項１１に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様とする。図１０は、図５の投射表示装置のウォブリング素子３６として用いられるウォブリング素子１００の構成例を示す図である。このウォブリング素子１００は、鋸歯状基板１０１ａと平行平板１０１ｂとの間に強誘電性液晶からなる液晶層１０２を配置した構成である。鋸歯状基板１０１ａと液晶層１０２、および液晶層１０２と平行平板１０１ｂとの間にはそれぞれ配向膜が設置されるが、図示を省略している。ここで、平行平板１０１ｂの法線方向に沿ってＺ軸を定め、図１０に示すようにＸ，Ｙ軸を選ぶ。また、鋸歯状基板１０１ａの屈折率をｎ１、平行平板１０１ｂの屈折率をｎ２とし、液晶層１０２の常光屈折率ｎｏはｎ１にほぼ等しく、異常光屈折率ｎｅはｎ２にほぼ等しくなるように組み合わせる。尚、液晶１０２の常光屈折率ｎｏと鋸歯状基板１０１ａの屈折率ｎ１の差、および異常光屈折率ｎｅと平行平板１０１ｂの屈折率ｎ２の差は、ともにｎｅ−ｎｏの値より小さくすることが望ましい。
【００４４】
液晶層１０２への電界を制御して液晶分子の方向が１０３ａのようにＹ軸方向に沿って並ぶと、鋸歯状基板１０１ａと液晶層１０２の界面で屈折率差が生じる。横軸にＸ位置を、縦軸にウォブリング素子１００を通過する光線の位相をとると、図１１のように位相分布が鋸歯形状になる。このため、本実施例のウォブリング素子１００はブレーズ化回折格子となるため、この鋸歯ピッチと波長の関数で表される回折角で光を偏向する働きを有する。一方、液晶層１０２への電界を変えて液晶分子の方向を１０３ｂのようにＸ軸方向とすると、鋸歯状基板１０１ａと液晶層１０２との界面での屈折率差がなくなる。このため、ウォブリング素子９０は単なる平行平板と同じ特性となるため、光は直進する。このようにして、液晶層１０２への印加電界のスイッチングによって、ウォブリング素子内の位相分布が鋸歯形状となる瞬間があるようにすることによって、ウォブリング素子１００からの出射光の進行方向を容易に切り換えることができる。
【００４５】
さらに、本実施例のウォブリング素子１００を２個用意して、鋸歯状基板１０１ａの溝方向を直交するように配置すれば、水平・鉛直方向に２段の、すなわち４サブフィールドの画像用に光路を切り換えることができる。尚、本実施例のウォブリング素子１００は鋸歯状基板１０１ａを用いた液晶機能素子で形成したが、液晶層内で液晶分子の配向角を場所ごとで周期的に変化させる構造であっても良い。
【００４６】
以上の説明の様に、本実施例では、素子内で位相分布が鋸歯形状となる瞬間があるウォブリング素子１００を請求項３〜請求項９に記載の投射表示装置に組み込むことによって、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。さらに、液晶として強誘電性液晶を用いれば、高速にウォブリングすることができて投射画像のチラツキを低減することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。
また、請求項３に記載の投射表示装置においては、ウォブリング素子を用いて画像形成手段の画素数以上の画素を表示することができ、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができる。
【００４８】
請求項４に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、透過型の画像形成手段を用いるため、画素縮小素子の設計自由度を高めることができる。
また、請求項５に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、反射型の画像形成手段を用いるため、高画素数、高解像度化に適する。
【００４９】
請求項６に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロレンズアレイを用いるため光学素子をコンパクトにすることができる。
また、請求項７に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロミラーアレイを用いるため光学素子をより一層コンパクトにすることができる。
さらに、請求項８に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、光軸方向に沿って複数の曲面を有するマイクロレンズアレイとすることによって、正の屈折パワーを有する光学素子の集光性能を高めることができる。
【００５０】
請求項９に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、装置全体の光利用効率を高めることができる。
また、請求項１０に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、サブフィールドごとの投射画素の解像性能を揃えることができる。
さらに、請求項１１に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、ウォブリング素子の駆動電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。
【図２】図１に示す投射表示装置の画像形成手段と正の屈折パワーを有する光学素子として用いられる、透過型ライトバルブと正の屈折パワーを有するマクロレンズアレイの断面図である。
【図３】２つのライトバルブからの投射画像を重ね合わせて投射領域で画素数を２倍にする方法の説明図である。
【図４】ランプ光源の光強度の配向分布（放射角度と強度の関係）を示す図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。
【図６】正の屈折パワーを有する光学素子を画像形成手段と一体化した構成のレンズ付反射型ライトバルブの拡大断面図である。
【図７】マイクロミラーアレイを反射型ライトバルブと一体化した構成のミラー付反射型ライトバルブの拡大断面図である。
【図８】正の屈折率パワーを有する光学系（２つのマイクロレンズアレイ）が画像形成手段の構成要素の一部と共通化されている構成のレンズ付反射型ライトバルブの拡大断面図である。
【図９】本発明の投射表示装置に用いられるウォブリング素子の一構成例を示す概略要部斜視図である。
【図１０】本発明の投射表示装置に用いられるウォブリング素子の別の構成例を示す概略要部斜視図である。
【図１１】図１０に示すウォブリング素子を通過する光線の位相分布を示す図である。
【符号の説明】
１１：ランプ光源
１２：照明光学系
１３ａ，１３ｂ：ビームスプリッタ
１４ａ，１４ｂ：折り返しミラー
１５ａ，１５ｂ：透過型ライトバルブ（画像形成手段）
１６ａ，１６ｂ：正の屈折パワーを有する光学素子
１７：投射レンズ
１８：スクリーン（投射面）
２１，２２：投射画像
３１：ランプ光源
３２：照明光学系
３３：偏光ビームスプリッタ
３４：正の屈折パワーを有する光学素子
３５：反射型ライトバルブ
３６：ウォブリング素子
３７：投射レンズ
３８：スクリーン（投射面）
５０：透過型ライトバルブ
５１ａ．５１ｂ：偏光板
５２ａ，５２ｂ：透明基板
５３：液晶
５４：マイクロレンズアレイ
６０：レンズ付反射型ライトバルブ
６１：マイクロレンズアレイ
６２：接着層
６３：透明基板（平行平板）
６４：液晶
６５：バックプレーン
７０：ミラー付反射型ライトバルブ
７１：透明基板
７２：液晶
７３：平坦化層
７４：ミラーアレイ基板（マイクロミラーアレイ）
８０：レンズ付反射型ライトバルブ
８１，８３：マイクロレンズアレイ
８２：接着層
８４：液晶
８５：バックプレーン
９０：ウォブリング素子
９１ａ，９１ｂ：透明基板
９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆ，９２ｇ：電極
９３：液晶層
１００：ウォブリング素子
１０１ａ：鋸歯状基板
１０１ｂ：平行平板
１０２：液晶層
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタ等の画像表示装置や露光装置等に応用される投射表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射表示装置の一つであるプロジェクタ機器の多くは、画像形成手段として液晶ライトバルブと呼ばれる液晶空間光変調素子を用いている。液晶ライトバルブは微細な画素を多数配列させた一種の画像表示素子で、プロジェクタは上記液晶ライトバルブにより画像を形成し、これを投射レンズによりスクリーンに投射するものである。液晶ライトバルブが備える画素の形状は正方形あるいは矩形をしており、サイズは１辺が数十μｍから１０数μｍあるいは数十μｍである。この画素サイズが投影画像の精細度を決定しており、画素が微細であればあるほど、より高精細な投影画像を得ることができる。しかし、画素の微細化すなわち小サイズ化には、液晶ライトバルブの製造プロセス上の問題がある。また、大画面化に対応するには画素数を増大させる必要がある。
【０００３】
液晶空間光変調素子である液晶ライトバルブは、透過型ライトバルブと反射型ライトバルブに大別される。透過型ライトバルブでは、画素を微細化したとしても、画素制御用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の画像形成に寄与しない部分の微細化が困難であり、画素を微細化しても、上記画像形成に寄与しない部分の面積が画素の面積に対して相対的に大きくなり、開口率が低下する難点がある。これに対して、反射型ライトバルブ（多くはシリコン基板上に形成されるので、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）と呼ばれている）では、画素電極（反射電極）の下に配線部を形成することが可能であるため、開口率あるいは反射率を向上させることができる。
【０００４】
しかしながら、強誘電性液晶を用いて表面安定化構造とした場合や、ネマチック液晶を用いて垂直配向モードにした場合は、液晶層がスイッチングするためには１μｍ程度の液晶層が必要であり、１０μｍ程度の画素サイズを実現することはできる。しかし、コントラスト、階調性及び均一性などで評価される画像品質を保持したまま、それより小さい５〜７μｍ以下の画素を実現することは非常に困難である。また、液晶ライトバルブ自体のサイズを増大させて、画素数を増大する方法もあるが、これは液晶ライトバルブのコストが指数的に増大すると同時に、光学系の大きさも増大し、より一層高コストの投射表示装置となる。
【０００５】
近年、プロジェクタや画像表示装置等に応用される投射表示装置としては、大画面化や高解像度化が増々要求されているが、液晶ライトバルブ等の画像形成手段の画素数を増大する方法では、上記のように製造コストの増大や装置の大型化の問題がある。
そこで、複数のライトバルブからの投射画素をスクリーン上で適宜位置をずらして表示することによって高解像度の投射表示装置を実現することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、光軸のシフトや偏向を行う素子（例えば、ウォブリング素子）を使って投射画素位置を高速に移動させ、見かけ上、ライトバルブの画素数以上の投射画素数にする表示装置が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、液晶ライトバルブからの出射光を投射するときに、光軸をシフトさせる素子を設けることにより、時分割で画素を増加させ、高解像度を実現する画像表示装置が提案されている。この画像表示装置では、偏光方向を旋回できる光学素子と、複屈折効果を有する透明素子とを、光軸シフト方向を直交させて２組用いることにより、縦２倍、横２倍で合計４倍に画像を高解像度化している。また、下記の特許文献２には、光軸をシフトすることにより、画素を実質的にΔ（デルタ）配列することが可能な装置が提案されている。尚、光軸のシフトや偏向を行うウォブリング素子としては、例えば、下記の特許文献３に記載の光学素子等がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−１１３３０８号公報
【特許文献２】
特開平９−２３０３２９号公報
【特許文献３】
特許第３２３９９６９号公報
【非特許文献１】
ＳＩＤ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ （Ｖｏｌ．ＸＸＸＩＩＩ，Ｎｏ．ＩＩ）２００２年、１２５４〜１２５７頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の画素ずらしを行う投射表示装置のように、複数個のライトバルブを用いて投射位置で画素をずらして高解像化を図る場合でも、ウォブリング素子等を使って画素をずらして高解像度化を図る場合でも、隣接投射画素同士の重なりが生じる。このため、１ラインを表示させるような投射画像であれば、画像のにじみが発生するという問題がある。
【０００９】
そこで、この問題を解消するには、画像形成手段であるライトバルブの近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する必要がある。この場合、ライトバルブの全画素を各々縮小させる光学系を通すため、例えば、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子を用いて一旦画素を小さくし、この画素縮小された画像を投射レンズでスクリーンに拡大投影する光学系が考えられる。
【００１０】
しかし、本発明者らがモンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡シミュレーションを行った結果、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子の焦点面付近に投射レンズのバックフォーカスを合わせると、投射画素はランプ光源の配向分布を反映したプロファイルとなってしまい、良好な投射画像が得られないことが分かった。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、画像形成手段であるライトバルブの近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する構成とした場合にも、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持することができ、良好な投射画像を得ることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
より詳しく述べると、請求項１，２に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項３に係る発明は、画像形成手段の画素以上を表示することができ、光源の配向分布の影響を低減し、かつ高解像性能を維持し、画像の硬さを低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項４に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項５に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、反射型表示素子で画像形成手段を構成することにより高解像度化に適すことができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項６に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子をコンパクトにすることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項７に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子をより一層コンパクトにすることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項８に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子の集光性能を高めることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項９に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減し、さらに、光利用効率を高めることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項１０に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができ、さらに、サブフィールドごとで投射画素の解像性能を揃えることができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
請求項１１に係る発明は、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ、画像の硬さを低減することができる構成の投射表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための手段として、請求項１に係る発明は、放射光を放出する光源と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段と、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子と、投射レンズで構成される投射表示装置において、前記投射レンズの物体面が前記光学素子の焦点面より画像形成手段側に位置することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２に係る発明は、放射光を放出する光源と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段と、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子と、投射レンズで構成される投射表示装置において、前記投射レンズから投射レンズ物体面までのバックフォーカス長が、前記投射レンズから前記画像形成手段までの光学的距離よりも長いことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の投射表示装置において、前記光学素子と前記投射レンズの間にウォブリング素子を配置したことを特徴とするものである。
また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記画像形成手段が透過型表示素子であることを特徴とするものである。
さらに、請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記画像形成手段が反射型表示素子であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応したマイクロレンズアレイであることを特徴とするものである。
また、請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応したマイクロミラーアレイであることを特徴とするものである。
さらに、請求項８に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応し、かつ光軸方向に沿って複数の曲面を有するマイクロレンズアレイであることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項３〜８のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記光源からの放射光を画像形成手段に均一照明させる照明光学系が付加され、前記ウォブリング素子によって少なくとも１方向以上に光軸がシフトまたは偏向され、かつ一方向当たりのウォブリング段数の最大値をｍとし、前記照明光学系のＦナンバーをＦ１とし、投射レンズのＦナンバーをＦ２とするとき、
Ｆ２≦Ｆ１／ｍ
であることを特徴とするものである。
また、請求項１０に係る発明は、請求項３〜９のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記ウォブリング素子として、少なくとも２枚の透明基板によって挟持された強誘電性液晶を用いており、前記強誘電性液晶は透明基板に設置された電極に印加する電圧の切り換えによって基板法線方向に対して対称性を有することを特徴とするものである。
さらに、請求項１１に係る発明は、請求項３〜９のいずれか一つに記載の投射表示装置において、前記ウォブリング素子内の位相分布が鋸歯形状となる瞬間があることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
高解像な投射表示装置を実現するため、複数のライトバルブの投射画素の相対位置をずらすように配置し、ライトバルブの画素ピッチと投射レンズの投射倍率の積よりも小さくなる投射画素ピッチとする投射表示装置や、光軸のシフトや偏向を行うウォブリング素子等を使って投射画素位置を高速に移動させ、見かけ上、ライトバルブの画素数以上の投射画素数にする投射表示装置が提案されている。これらの高解像な投射表示装置において、ライトバルブの一画素をそのまま投射レンズでスクリーン上に投影すると、投射された隣接画素と重ね合わさる領域が生じ、細い線を投影した場合、画素のにじみが発生する。このため、画素ピッチを変化させずに画素ごとのサイズを縮小し、これらの画像を投射レンズでスクリーンに投影すれば隣接投射画像とのにじみを減らすことができる。
【００１９】
画素のサイズを縮小するにはライトバルブの画素ピッチに対応して、かつ正の屈折パワーを有する光学系を用いる必要がある。正の屈折パワーを有する光学系としては、マイクロレンズアレイや凹面反射ミラーなどを用いることができる。これらの光学系の焦点面では、ライトバルブの照明角度分布が強度分布となって現れる。現在、投射表示装置の光源としてはメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられることが多い。これらのランプの光強度の配向分布は、ランプ管球内の電極の影のため、放射角が０度の方向でピークにはならず、図４に示すような光強度の配向分布を示す。したがって、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系の焦点面に一致させると、投射画素の強度分布も図４に似た分布となってしまうという問題があった。
【００２０】
そこで請求項１に係る発明では、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系（光学素子）の焦点面よりも画像形成手段側に位置させる構成としたものであり、これによって、投射ピッチに対して投射画素サイズを小さくできるにもかかわらず、投射画素プロファイルはランプ配向分布の影響を低減することができる。さらに、隣接投射画素へは小さい相対強度で重なっており、投射画像の硬さ（シャープさ）が低減されるので、見やすい画像になる。
また、請求項２に係る発明では、投射レンズから投射レンズ物体面までのバックフォーカス長が、投射レンズから画像形成手段までの光学的距離よりも長いことを特徴としており、投射レンズ側から見た物体面位置を、正の屈折パワーを有する光学系の奥側に配置されている画像形成手段よりさらに遠方にすることで光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減している。
【００２１】
さらに請求項３に係る発明では、請求項１または請求項２記載の光学系を採用した投射表示装置に、画素ずらし手段としてウォブリング素子を採用し、正の屈折パワーを有する光学素子と投射レンズの間にウォブリング素子を配置したことにより、画像形成手段の画素以上の画素を表示することができるので、光源の配向分布の影響を低減し、かつ高解像性能を維持し、かつ画像の硬さを低減することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の構成、動作および作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
（実施例１）
まず、請求項１，２，４，６に対応する実施例を説明する。
図１は本発明の一実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。図１において、この投射表示装置は、ランプ光源１１と、照明光学系１２と、ビームスプリッタ１３ａ，１３ｂと、折り返しミラー１４ａ，１４ｂと、画像形成手段１５ａ，１５ｂと、正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂと、投射レンズ１７で構成されており、符号１８は画像が投射される投射面であるスクリーンを表している。ランプ光源１１としては、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられる。照明光学系１２としては、フライアイレンズとコンデンサレンズを使うフライアイインテグレータや、内部反射を利用したロッドレンズもしくはカライドスコープとリレーレンズを用いることができる。第一のビームスプリッタ１３ａは、照明光を２つの光束に分離するために用いられ、第二のビームスプリッタ１３ｂは分離された光束を合波するために用いられる。これらのビームスプリッタ１３ａ，１３ｂはハーフミラーでも偏光ビームスプリッタでも良い。正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂとしては、例えば、画像形成手段（例えば透過型表示素子である透過型ライトバルブ）１５ａ，１５ｂの画素ピッチに対応してマイクロレンズが二次元配列されたマイクロレンズアレイを用いることができる。
【００２４】
図２は、図１に示す投射表示装置の画像形成手段１５ａ，１５ｂと正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂとして用いられる、透過型ライトバルブ５０と正の屈折パワーを有する光学素子（一例としてマクロレンズアレイ）５４の一例を説明するための図である。図２は透過型ライトバルブ５０とマイクロレンズアレイ５４の要部を拡大した断面図で表しており、紙面上下方向に３つのアレイ分だけ記載した。実際の構成では数百から千を超えるアレイ数である。透過型ライトバルブ５０は２枚の透明基板５２ａ，５２ｂに液晶５３が挟まれ、各透明基板５２ａ，５２ｂの外側にはそれぞれ偏光板５１ａ，５１ｂが配置されている。また、図２では図示を省略しているが、透明基板５２ａ，５２ｂと液晶５３との間には配向膜、透明電極などが設置されている。透過型ライトバルブ５０からの画素の光は照明光の入射角分布に従って広がりを持った透過光として出射される。マイクロレンズアレイ５４はこの光を屈折し、集める働きを有する。
【００２５】
次に、正の屈折パワーを有する光学素子（例えばマイクロレンズアレイ）１６ａ，１６ｂの動作について図３を用いて説明する。光学素子１６ａ，１６ｂが無い場合の投射表示装置では、スクリーン１８上の投射画像は図３（ａ）に示すように一方のライトバルブ１５ａからの投射画像２１の各投射画素の境界付近に、もう一方のライトバルブ１５ｂからの投射画像２２の画素の中心が来るようにライトバルブの位置を調整する。この構成は、ライトバルブ１枚（例えば１５ａのみ）の投射表示装置に比べると、ほぼ同じ投射領域で２倍の画素数を実現できる。しかし、図３（ａ）に示すように２つの投射画像２１，２２を重ねた場合、投射隣接画素が重なる領域があるために、画素のにじみが発生する。このにじみを低減するために正の屈折パワーを有する光学素子（例えばマイクロレンズアレイ）１６ａ，１６ｂが用いられる。例えば、図３（ｂ）に示すように、ライトバルブ１５ａ，１５ｂからの投射画像２１，２２の投射画素ピッチを変えずに光学素子１６ａ，１６ｂで投射画素サイズを１／２にすると、隣接画素間でにじみは全く発生しなくなる。また、図３（ｂ）に示すサイズまで画素サイズを縮小しなくても、図３（ａ）の画素サイズと比較して０．５倍以上、１．０倍未満にすることによって、にじみを減らす効果は発現される。
【００２６】
さらに、非特許文献１に記載された投射表示装置（ただし、非特許文献１ではライトバルブは反射型である）のように、２台の投射表示装置のうち、１台を本実施例（反射型ライトバルブの直前に正の屈折パワーを有する光学素子を配置する（図示せず））のように構成することによって、にじみを低減することができる。また、２台の投射表示装置ともに、正の屈折パワーを有する光学素子を配置すれば、全３色の投射画素間でにじみを低減することができる。
【００２７】
（実施例２）
次に請求項２，３，５，６に対応する実施例を説明する。
図５は本発明の別の実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。図５において、この投射表示装置は、ランプ光源３１と、ランプ光源３１からの放射光を画像形成手段に均一照明させるための照明光学系３２と、照明光と投射光を分離するための偏光ビームスプリッタ３３と、正の屈折パワーを有する光学素子３４と、画像形成手段である反射型表示素子３５と、ウォブリング素子３６と、投射レンズ３７で構成されており、符号３８は画像が投射される投射面であるスクリーンを表している。ランプ光源３１には例えば超高圧水銀ランプやメタルハライドランプを用いることができる。また、照明光学系３２にはフライアイレンズと呼ばれるレンズアレイとコンデンサレンズを組み合わせることによって画像形成手段３５の面を均一照明することができる。さらに、本実施例では画像形成手段３５として反射型表示素子の一つである反射型ライトバルブを用いている。
【００２８】
次に図５に示す投射表示装置の正の屈折パワーを有する光学素子３４を画像形成手段３５と一体に構成した光学部材の一例を図６に示す。図６は正の屈折パワーを有する光学素子を反射型ライトバルブと一体化した構成の反射型表示素子（レンズ付反射型ライトバルブ）６０の拡大断面図である。図６では正の屈折パワーを有する光学素子（例えばマイクロレンズアレイ）６１が反射型ライトバルブ６０の構成要素に含まれている。このレンズ付反射型ライトバルブ６０では、液晶６４は透明基板６３とバックプレーン６５の間に挟まれている。そして透明基板６３には正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロレンズアレイ６１が接着層６２を介して接着されている。透明基板６３と液晶６４の間には配向膜や透明電極が、また、液晶６４とバックプレーン６５の間には配向膜、反射膜もしくはアルミミラーが設置されているが、これらの図示は省略する。尚、マイクロレンズアレイ６２の各アレイ（マイクロレンズ）は液晶画素に対応して配置されている。
【００２９】
図５において、ウォブリング素子３６としては、例えば、前記特許文献３に記載の光学素子を利用することができる。しかし、ウォブリング素子の方式は本発明の効果に影響を与えないため、特許文献３に記載の光学素子以外の方式のものでも良い。ウォブリング素子３６によって、例えば、水平・鉛直方向にそれぞれ２段のサブフィールド画像を得ることができる。本実施例では水平・鉛直方向にそれぞれ２段のウォブリングを行う投射表示装置の場合について説明する。しかし、本発明はウォブリングの段数に発明の効果が影響されることは無い。
【００３０】
図６に示すレンズ付反射型ライトバルブ６０のバックプレーン６５の液晶層側には画素表示のための反射板がアレイ状に配列されている（図示せず）。このアレイピッチに対応するマイクロレンズアレイ６１は、平行平板からなる透明基板６３と接着層６２を介して貼り合わされている。マイクロレンズアレイ６１および透明基板（平行平板）６３の屈折率を１．５２、接着層６２の屈折率を１．４０とし、マイクロレンズアレイ６１の各マイクロレンズのＦナンバーは１．３７、接着層６２の厚さ（最短距離）は４μｍ、透明基板（平行平板）６３の厚さは１０μｍとした。そして、モンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡を行い、投射面（スクリーン）３８での画素プロファイルを計算した。投射画像が最大空間周波数となる連続した画素が明、暗、明、暗、・・・となるとき、解像性能を示すＣＴＦ（Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は５９％であった。また、投射画素縮小率（ライトバルブ１枚のみを投射したときの投射画素ピッチに対する投射画素サイズの割合）は４４％であった。この場合、ＣＴＦが５０％を超えており、高解像と言える。
【００３１】
本実施例の構成で、投射レンズ３７の物体面（バックフォーカス位置）は画像形成手段３５である反射型ライトバルブ６０の画像形成面（図６の反射型ライトバルブ６０の液晶６４の面）よりさらに奥（図６では液晶６４よりさらに右側）で、液晶面から奥に１２μｍの位置であった。これは、投射レンズ３７側から見た時、反射型ライトバルブ３５（６０）の反射面よりさらに先の照明光路（ランプ光源３１から反射型ライトバルブ３５（６０）の液晶面までの経路）中、より具体的には接着層６２の中に投射レンズ物体面があることを意味している。したがって、本実施例の構成では、投射レンズ３７から投射レンズ物体面までのバックフォーカス長が、投射レンズ３７から画像形成手段３５（反射型ライトバルブ６０の液晶面）までの光学的距離よりも長いことになる。このような構成とすることにより、高解像性能を維持しながらランプ光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。また、本実施例では、画像形成手段３５として図６に示すような構成の反射型ライトバルブを用いるため、高画素数、高解像度化に適している。
【００３２】
（実施例３）
次に請求項１，３，５，６に対応する実施例を説明する。
本実施例では投射表示装置の全体構成は図５と同様であり、正の屈折パワーを有する光学素子３４と画像形成手段３５は図６と同様に一体化されている構成である。そして実施例２と同様に正の屈折パワーを有する光学素子はマイクロレンズアレイ６１で構成され、このマイクロレンズアレイ６１が反射型ライトバルブ６０の透明基板（平行平板）６３に接着層６２により接着されている。ここで、マイクロレンズアレイ６１と透明基板（平行平板）６３の屈折率を１．６３、接着層６２の屈折率を１．４０とし、マイクロレンズアレイ６１の各マイクロレンズのＦナンバーを１．１３、接着層の厚さ（最短距離）を４μｍ、透明基板（平行平板）６３の厚さを１０μｍとした。本実施例の構成でモンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡を行い、投射面（スクリーン）３８での画素プロファイルを計算した結果、投射画像のＣＴＦは８３％と十分高解像であった。また、縮小率は６５％であった。この場合、縮小率が５０％より大きい値であるため、隣接投射画素と重なる領域が存在する。しかし、この投射画素サイズは投射画像性能を劣化するほど大きくはない。
【００３３】
本実施例の構成では、投射レンズ３７の物体面（バックフォーカス位置）は図６の液晶層６４から投射レンズ側、すなわち図６で液晶６４から左側に８μｍ程度であった。マイクロレンズアレイ６１と接着層６２と透明基板（平行平板）６３によって正の屈折パワーを有する光学系を形成しているが、この光学系の焦点位置はマイクロレンズアレイ６１の曲面より投射レンズ側に存在する。従って、投射レンズ３７の物体面は、この焦点面より画像形成手段側（反射型ライトバルブ６０の液晶面側）に位置することになる。このような構成とすることにより、高解像性能を維持しながらランプ光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。
【００３４】
（実施例４）
次に請求項７に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様であるが、光学素子３４と画像形成手段３５の構成が実施例２，３とは異なっている。図７は本実施例で画像形成手段３５として用いるミラー付反射型ライトバルブ７０を説明するための図であり、この反射型ライトバルブ７０は、光学素子として液晶７２の各画素に対応したマイクロミラーアレイ基板７４を背面側に設けた構成となっている。図７において、液晶７２は、透明基板７１と、マイクロミラーアレイ基板７４の凹面形状を平坦化するための平坦化層７３に挟まれて配置される。透明基板７１と液晶７２との間には配向膜や透明電極が、また、液晶７２と平坦化層７３との間には配向膜が配置されるが、これらの図示は省略する。マイクロミラーアレイ基板７４の凹面形状の各マイクロミラーの曲率半径をアレイピッチＰの１３．６倍とし、透明基板７１と平坦化層７３の屈折率は１．８３とした。本実施例の構成で、マイクロミラーアレイ基板７４の各アレイ（凹面マイクロミラー）の焦点位置は液晶７２の位置から投射レンズ側、すなわち、図７で左側に６．７Ｐ（Ｐはアレイピッチの長さ）である。しかし、投射レンズ３７のバックフォーカス位置を液晶７２位置から投射レンズ側に３．６Ｐとした。
【００３５】
本実施例で、モンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡を行い、投射面（スクリーン）３８での画素プロファイルを計算した結果、投射画像のＣＴＦは８３％であり、投射された一画素の幅（半値全幅）は投射画素ピッチに対して５０％であった。この場合、投射解像性能を表すＣＴＦが５０％を大幅に越えており、高解像性能であることを示している。また、投射画素幅は隣接投射画像の半分になっており、ウォブリング素子３６で水平・鉛直方向にそれぞれ２段のサブフィールド画像を表示させる場合、良好な投射画像が得られる。尚、投射画素幅を半値全幅で示しており、画素ピーク強度の半分以下の強度となる画素領域は隣接画素と交わることになる。しかし、相対強度が低いため、解像性能を劣化させることは無く、かつ適度な強度で重ね合わさるため画像の硬さ（シャープさ）が低減される効果を有する。従って本実施例では、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロミラーアレイを用いるため光学素子をより一層コンパクトにすることができる。
【００３６】
（実施例５）
次に請求項８に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様であるが、光学素子３４と画像形成手段３５の構成が実施例２〜４とは異なっている。図８は、本実施例の画像形成手段と正の屈折率パワーを有する光学系を説明するための図であり、本実施例では、正の屈折率パワーを有する光学系が画像形成手段の構成要素の一部と共通化されており、レンズ付反射型ライトバルブ８０となっている。正の屈折率パワーを有する光学系は、２つのマイクロレンズアレイ８１，８３が接着層８２を介して接着されており、一方のマイクロレンズアレイ８３は画像形成手段８０の液晶８４を挟むための透明基板として利用される。液晶８４はマイクロレンズアレイ８３と、主にシリコンで構成されるバックプレーン８５とで挟まれている。また、マイクロレンズアレイ基板８３と液晶８４との間には配向膜と透明電極が、液晶８４とバックプレーン８５との間には配向膜と画素電極が施されるが、これらの図示は省略する。
【００３７】
本実施例の構成では、画像形成手段８０の各画素の光軸方向に沿って複数の曲面を有したマイクロレンズアレイ構造になっている。曲面数が多くなれば、同じ正の屈折パワーをマイクロレンズアレイ部に機能させる際、設計自由度が高くなる。また、焦点位置が同じになるようにマイクロレンズアレイ部分を設計すれば、一枚のマイクロレンズに比べて曲率半径を大きくすることができ、加工しやすくなる。本実施例では、投射レンズ３７の物体位置が２つのマイクロレンズアレイ８１，８３の組合せレンズの焦点位置よりも液晶側にすることによって良好な投射性能が得られる（尚、この動作は、実施例２と同等であるため説明を省略する）。従って、本実施例では、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、光軸方向に沿って複数の曲面を有するマイクロレンズアレイとすることによって、正の屈折パワーを有する光学素子の集光性能を高めることができる。
【００３８】
（実施例６）
次に請求項９に対応する実施例を説明する。
本実施例では、画像形成手段として図１，２に示したような透過型ライトバルブを用いた構成の投射表示装置で説明する。図１，２に示すような構成の投射表示装置では、正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂの倍率が１／２の場合、角度倍率は逆数の２倍となる。ここで、画像形成手段１５ａ，１５ｂを図２に示すような構成の透過型ライトバルブ５０とした場合に、図２の透過型ライトバルブ５０への照明光の入射角広がりをθ（入射角０度から最大θまで）とする。透過型ライトバルブ５０からの出射光の光線角度の広がりは、同じく、０度から最大θである。これらの光線がマイクロレンズアレイ５４で屈折され、マイクロレンズアレイ５４の倍率が１／２の場合、角度倍率が２倍となるため、マイクロレンズアレイ５４を出射する光線の広がりは０度から２θとなる。したがって、投射表示装置の照明光学系１２のＦナンバーをＦ１とし、投射レンズ１７のＦナンバーをＦ２と定義すると、照明光学系１２のＦナンバーＦ１と投射レンズ１７のＦナンバーＦ２は、
Ｆ２≦Ｆ１／２
を満たすと効率良く、スクリーン１８まで光線が届く。
【００３９】
さらに、光学素子１６ａ，１６ｂと投射レンズ１７の間にウォブリング素子などを配置し、ウォブリング素子などによる水平方向もしくは鉛直方向のウォブリング段数の最大値をｍとすれば、
Ｆ２≦Ｆ１／ｍ
を満たすことで投射表示装置の光利用効率を高くすることができる。また、前述の実施例に記載されたように、本実施例においても、投射レンズ１７の物体面位置を正の屈折パワーを有する光学素子１６ａ，１６ｂの焦点面位置より画像形成手段１５ａ，１５ｂ側に、もしくは、画像形成手段面よりさらに奥側に設置することによって解像性能を高くすることができる。従って本実施例では、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、装置全体の光利用効率を高めることができる。
【００４０】
（実施例７）
次に請求項１０に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様とする。図９は、図５の投射表示装置のウォブリング素子３６として用いられるウォブリング素子の構成例を示す図である。このウォブリング素子９０は、短冊状の複数の電極９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆ，９２ｇが形成された２枚の透明基板９１ａ，９１ｂと、この２枚の透明基板９１ａ，９１ｂに挟まれた強誘電性液晶からなる液晶層９３で構成される。透明基板９１ａと液晶層９３の間、および透明基板９１ｂと液晶層９３の間にはそれぞれ配向膜が設置されるが、図示を省略している。透明基板９１ａ，９１ｂの法線をＺ軸とし、図９のようにＸ軸，Ｙ軸を定める。電圧が無印加のときに強誘電性液晶の分子がＺ軸を向くように配向する。電圧印加方向はＺ軸に垂直な方向、すなわち、ＸＹ平面内とする。図９の場合には、電極の方向をＹ軸とし、これら電極がＸ軸方向にアレイ化されている。これらの電極は金属でも透明電極（ＩＴＯ）でも良い。電極９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆ，９２ｇの順に印加電圧を高く（または低く）することによって、Ｘ軸に沿って電圧勾配を発生させることができる。そして、この電圧勾配の極性を切り替えることによって、液晶分子９４ａ（９４ｂ）の分子方向を＋θから−θ、−θから＋θに高速にスイッチングすることができる。尚、本実施例の電極構造は一例であって、Ｚ軸に垂直な面内で電圧勾配を切り替えることが可能であれば、どのような電極構造であっても本発明の効果に影響を与えない。
【００４１】
このような電圧制御によって液晶分子９４ａ（９４ｂ）は、ＸＺ面内でＺ軸からの分子方向を＋θから−θ、−θから＋θへと高速にスイッチングでき、液晶分子９４ａ（９４ｂ）がＺ軸から傾く。このとき、Ｘ方向に偏光方向を有する直線偏光がウォブリング素子９０に入射すると、液晶分子９４ａの場合、複屈折効果で＋Ｘ方向に光路が偏向される。また、液晶分子９４ｂの状態では、−Ｘ方向に光路が偏向される。本実施例の構成では液晶分子の２通りの配向状態９４ａ，９４ｂで光軸（Ｚ軸）に対して対称性を有するため、どちらの光路偏向状態も対称性を持つ。このため、投射画像においても対称性が保たれることになる。さらに、水平・鉛直方向それぞれに２段、合計４サブフィールドのウォブリングを行うには、ウォブリング素子９０を２個用意して、前段のウォブリング素子と後段のウォブリング素子の電極方向を直交させるように配置すれば良い。
【００４２】
以上の説明の様に、本実施例では、強誘電性液晶を用いたウォブリング素子９０を請求項３〜請求項９に記載の投射表示装置に組み込むことによって、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。さらに、強誘電性液晶の特性によって高速なウォブリングが可能であるため、サブフィールド間のチラツキを少なくすることができる。
【００４３】
（実施例８）
次に請求項１１に対応する実施例を説明する。
本実施例の投射表示装置の全体構成は図５と同様とする。図１０は、図５の投射表示装置のウォブリング素子３６として用いられるウォブリング素子１００の構成例を示す図である。このウォブリング素子１００は、鋸歯状基板１０１ａと平行平板１０１ｂとの間に強誘電性液晶からなる液晶層１０２を配置した構成である。鋸歯状基板１０１ａと液晶層１０２、および液晶層１０２と平行平板１０１ｂとの間にはそれぞれ配向膜が設置されるが、図示を省略している。ここで、平行平板１０１ｂの法線方向に沿ってＺ軸を定め、図１０に示すようにＸ，Ｙ軸を選ぶ。また、鋸歯状基板１０１ａの屈折率をｎ１、平行平板１０１ｂの屈折率をｎ２とし、液晶層１０２の常光屈折率ｎｏはｎ１にほぼ等しく、異常光屈折率ｎｅはｎ２にほぼ等しくなるように組み合わせる。尚、液晶１０２の常光屈折率ｎｏと鋸歯状基板１０１ａの屈折率ｎ１の差、および異常光屈折率ｎｅと平行平板１０１ｂの屈折率ｎ２の差は、ともにｎｅ−ｎｏの値より小さくすることが望ましい。
【００４４】
液晶層１０２への電界を制御して液晶分子の方向が１０３ａのようにＹ軸方向に沿って並ぶと、鋸歯状基板１０１ａと液晶層１０２の界面で屈折率差が生じる。横軸にＸ位置を、縦軸にウォブリング素子１００を通過する光線の位相をとると、図１１のように位相分布が鋸歯形状になる。このため、本実施例のウォブリング素子１００はブレーズ化回折格子となるため、この鋸歯ピッチと波長の関数で表される回折角で光を偏向する働きを有する。一方、液晶層１０２への電界を変えて液晶分子の方向を１０３ｂのようにＸ軸方向とすると、鋸歯状基板１０１ａと液晶層１０２との界面での屈折率差がなくなる。このため、ウォブリング素子９０は単なる平行平板と同じ特性となるため、光は直進する。このようにして、液晶層１０２への印加電界のスイッチングによって、ウォブリング素子内の位相分布が鋸歯形状となる瞬間があるようにすることによって、ウォブリング素子１００からの出射光の進行方向を容易に切り換えることができる。
【００４５】
さらに、本実施例のウォブリング素子１００を２個用意して、鋸歯状基板１０１ａの溝方向を直交するように配置すれば、水平・鉛直方向に２段の、すなわち４サブフィールドの画像用に光路を切り換えることができる。尚、本実施例のウォブリング素子１００は鋸歯状基板１０１ａを用いた液晶機能素子で形成したが、液晶層内で液晶分子の配向角を場所ごとで周期的に変化させる構造であっても良い。
【００４６】
以上の説明の様に、本実施例では、素子内で位相分布が鋸歯形状となる瞬間があるウォブリング素子１００を請求項３〜請求項９に記載の投射表示装置に組み込むことによって、光源の配向分布の影響を低減し、高解像性能を維持し、かつ画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。さらに、液晶として強誘電性液晶を用いれば、高速にウォブリングすることができて投射画像のチラツキを低減することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さ（シャープさ）を低減することができる。
また、請求項３に記載の投射表示装置においては、ウォブリング素子を用いて画像形成手段の画素数以上の画素を表示することができ、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができる。
【００４８】
請求項４に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、透過型の画像形成手段を用いるため、画素縮小素子の設計自由度を高めることができる。
また、請求項５に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、反射型の画像形成手段を用いるため、高画素数、高解像度化に適する。
【００４９】
請求項６に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロレンズアレイを用いるため光学素子をコンパクトにすることができる。
また、請求項７に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、正の屈折パワーを有する光学素子としてマイクロミラーアレイを用いるため光学素子をより一層コンパクトにすることができる。
さらに、請求項８に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、光軸方向に沿って複数の曲面を有するマイクロレンズアレイとすることによって、正の屈折パワーを有する光学素子の集光性能を高めることができる。
【００５０】
請求項９に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、装置全体の光利用効率を高めることができる。
また、請求項１０に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、サブフィールドごとの投射画素の解像性能を揃えることができる。
さらに、請求項１１に記載の投射表示装置においては、高解像性能を維持しながら光源の配向分布に起因する画像劣化を低減することができ、画像の硬さを低減することができ、さらに、ウォブリング素子の駆動電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。
【図２】図１に示す投射表示装置の画像形成手段と正の屈折パワーを有する光学素子として用いられる、透過型ライトバルブと正の屈折パワーを有するマクロレンズアレイの断面図である。
【図３】２つのライトバルブからの投射画像を重ね合わせて投射領域で画素数を２倍にする方法の説明図である。
【図４】ランプ光源の光強度の配向分布（放射角度と強度の関係）を示す図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。
【図６】正の屈折パワーを有する光学素子を画像形成手段と一体化した構成のレンズ付反射型ライトバルブの拡大断面図である。
【図７】マイクロミラーアレイを反射型ライトバルブと一体化した構成のミラー付反射型ライトバルブの拡大断面図である。
【図８】正の屈折率パワーを有する光学系（２つのマイクロレンズアレイ）が画像形成手段の構成要素の一部と共通化されている構成のレンズ付反射型ライトバルブの拡大断面図である。
【図９】本発明の投射表示装置に用いられるウォブリング素子の一構成例を示す概略要部斜視図である。
【図１０】本発明の投射表示装置に用いられるウォブリング素子の別の構成例を示す概略要部斜視図である。
【図１１】図１０に示すウォブリング素子を通過する光線の位相分布を示す図である。
【符号の説明】
１１：ランプ光源
１２：照明光学系
１３ａ，１３ｂ：ビームスプリッタ
１４ａ，１４ｂ：折り返しミラー
１５ａ，１５ｂ：透過型ライトバルブ（画像形成手段）
１６ａ，１６ｂ：正の屈折パワーを有する光学素子
１７：投射レンズ
１８：スクリーン（投射面）
２１，２２：投射画像
３１：ランプ光源
３２：照明光学系
３３：偏光ビームスプリッタ
３４：正の屈折パワーを有する光学素子
３５：反射型ライトバルブ
３６：ウォブリング素子
３７：投射レンズ
３８：スクリーン（投射面）
５０：透過型ライトバルブ
５１ａ．５１ｂ：偏光板
５２ａ，５２ｂ：透明基板
５３：液晶
５４：マイクロレンズアレイ
６０：レンズ付反射型ライトバルブ
６１：マイクロレンズアレイ
６２：接着層
６３：透明基板（平行平板）
６４：液晶
６５：バックプレーン
７０：ミラー付反射型ライトバルブ
７１：透明基板
７２：液晶
７３：平坦化層
７４：ミラーアレイ基板（マイクロミラーアレイ）
８０：レンズ付反射型ライトバルブ
８１，８３：マイクロレンズアレイ
８２：接着層
８４：液晶
８５：バックプレーン
９０：ウォブリング素子
９１ａ，９１ｂ：透明基板
９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆ，９２ｇ：電極
９３：液晶層
１００：ウォブリング素子
１０１ａ：鋸歯状基板
１０１ｂ：平行平板
１０２：液晶層
Claims (11)
- 放射光を放出する光源と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段と、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子と、投射レンズで構成される投射表示装置において、
前記投射レンズの物体面が前記光学素子の焦点面より画像形成手段側に位置することを特徴とする投射表示装置。 - 放射光を放出する光源と、光源からの放射光を入射させる複数の画素を有する画像形成手段と、画像形成手段近傍に設置され正の屈折パワーを有する光学素子と、投射レンズで構成される投射表示装置において、
前記投射レンズから投射レンズ物体面までのバックフォーカス長が、前記投射レンズから前記画像形成手段までの光学的距離よりも長いことを特徴とする投射表示装置。 - 請求項１または２記載の投射表示装置において、
前記光学素子と前記投射レンズの間にウォブリング素子を配置したことを特徴とする投射表示装置。 - 請求項１〜３のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記画像形成手段が透過型表示素子であることを特徴とする投射表示装置。 - 請求項１〜３のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記画像形成手段が反射型表示素子であることを特徴とする投射表示装置。 - 請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応したマイクロレンズアレイであることを特徴とする投射表示装置。 - 請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応したマイクロミラーアレイであることを特徴とする投射表示装置。 - 請求項１〜５のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記光学素子が前記画像形成手段の各画素に対応し、かつ光軸方向に沿って複数の曲面を有するマイクロレンズアレイであることを特徴とする投射表示装置。 - 請求項３〜８のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記光源からの放射光を画像形成手段に均一照明させる照明光学系が付加され、前記ウォブリング素子によって少なくとも１方向以上に光軸がシフトまたは偏向され、かつ一方向当たりのウォブリング段数の最大値をｍとし、前記照明光学系のＦナンバーをＦ１とし、投射レンズのＦナンバーをＦ２とするとき、
Ｆ２≦Ｆ１／ｍ
であることを特徴とする投射表示装置。 - 請求項３〜９のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記ウォブリング素子として、少なくとも２枚の透明基板によって挟持された強誘電性液晶を用いており、前記強誘電性液晶は透明基板に設置された電極に印加する電圧の切り換えによって基板法線方向に対して対称性を有することを特徴とする投射表示装置。 - 請求項３〜９のいずれか一つに記載の投射表示装置において、
前記ウォブリング素子内の位相分布が鋸歯形状となる瞬間があることを特徴とする投射表示装置。
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