JP2004309638A

JP2004309638A - Image display device

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Publication number: JP2004309638A
Application number: JP2003100356A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takaura; 淳高浦; Kazuya Miyagaki; 一也宮垣; Takeshi Namie; 健史浪江; Kenji Kameyama; 健司亀山; Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: JP4495917B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an image display excellent in image quality in an image display device to perform the image display by a pixel shifting display system. <P>SOLUTION: In the image display device to display a display pixel image in a pixel display area by guiding light optically modulated by a spatial optical modulation element where many pixels are two-dimensionally arrayed to a display surface by an image projecting and forming optical system, forming the pixel image in a pixel field smaller than the corresponding pixel display area with luminous flux optically modulated by the pixels and shifting the position in the pixel field of the pixel image with time, the converging characteristic of a light intensity distribution setting means for individually converging luminous flux from an illuminating light source on each pixel is set so that the light intensity distribution of the pixel image displayed in the pixel field may be specified distribution having a peak at a position deviated from the center of the pixel field. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空間光変調素子により変調された光をスクリーン等の表示面に投射結像して表示する画像表示装置に関する。この発明の画像表示装置は、実像を投射するフロントプロジェクタ、リアプロジェクタや、虚像を投射するヘッドマウンテッドディスプレイ、ビユ−ファインダ等として実施できる。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタ装置の高解像化の方法として、ＤＭＤやライトバルブなどの空間光変調素子の画素数を増加することなく表示画素数を増やす「画素ずらし表示」方式が提案されている（特許文献１等）。この方式は「空間光変調素子上の画素を拡大表示する位置」を光学的手段などにより１画素以下ずらして時分割表示し、ずらして表示される各々の画素には必要に応じて異なる画像情報を与えることにより見掛け上空間光変調素子の画素数よりも多くの画素を表示する方式である。
【０００３】
「画素ずらし表示方式」による画像表示では、「画素ずらしをしない場合と同一の大きさの画素像」をスクリーン上に表示すると、画素をずらした際に、ずらされた画素が隣接する画素領域と重なって表示画像の画質を劣化させるので、スクリーン上に表示される「画素像のサイズ」を縮小することが好ましい。
【０００４】
画素像のサイズを縮小する方法として、透過型液晶パネルの画素と１：１に対応させたマイクロレンズのアレイにより、光源側からの光をマイクロレンズごとに集光し、各マイクロレンズに対応する画素を「画素の開口よりも小さいスポット」で照明する方法が提案されている（特許文献２）。
【０００５】
上記のような「画素ずらし表示方式」によれば、空間光変調素子の有する画素数よりも多くの画素を「見掛け上」表示することができるが、このように表示される「画素数を見掛け上増大された画像」の像質に関しては、従来、問題とされてきていない。
【０００６】
発明者らの研究により「画素ずらし表示方式で表示される画像の画質は、スクリーン上における画素フィールド内の光強度の分布に左右される」という知見が得られた。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０４−１１３３０８号公報
【特許文献２】
特開平０９−０５４５５４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、発明者らにより得られた上記知見に基づき、画素ずらし表示方式による画像表示を行う画像表示装置において、画質の優れた画像の表示を実現することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の画像表示装置は「多数の画素が２次元的に配列された空間光変調素子により光変調された光を投射結像光学系により表示面上に導光し、各画素により光変調された光束が、対応する画素表示領域よりも小さい画素フィールドに画素像を結像するようにして結像させ、各画素の画素フィールド位置を時間と共にずらすことにより、各画素表示領域に表示画素像を表示する画像表示装置」であって、光強度分布設定手段を有する（請求項１）。
【００１０】
「光強度分布設定手段」は、各画素フィールドに表示される画素像の光強度分布が、画素フィールドの中心を外れた位置にピークを持つ所定の分布となるように、照明光源からの光束を各画素に収束させる「収束特性」を設定される。
【００１１】
ここで、用語につき簡単に説明する。
「空間光変調素子」は、多数の画素が２次元的に配列されたもので、各画素単位で透過光もしくは反射光の強度を変調できるものであり、具体的には液晶パネル等の各種ライトバルブやＤＭＤ等である。従って、透過光もしくは反射光の光強度を変調できる１単位が「画素」である。
【００１２】
「多数の画素の２次元的な配列」は、碁盤目状のように直交２方向の直線的な配列でも良いし、所謂「千鳥状（あるいはハニカム状）」でもよい。
【００１３】
「表示面」は、空間光変調素子により空間変調された光が投射結像光学系により「画像」として表示される面であり、一般には「スクリーン」である。
【００１４】
「画素表示領域」は、表示面上において、１画素に割り当てられた面積領域である。例えば、空間光変調素子において、水平方向にＮ個、鉛直方向にＭ個の画素が碁盤目状に配列している場合、空間光変調素子に表示される画像をスクリーン上に横：ＬＨ（ｍｍ）、縦：ＬＶ（ｍｍ）に表示するものとすれば、スクリーン上で「横：ＬＨ／Ｎ（ｍｍ）、縦：ＬＶ／Ｍ（ｍｍ）の領域」が、空間光変調素子の１画素に割り当てられる面積領域で、これが「画素表示領域」である。
【００１５】
「画素フィールド」は、空間光変調素子の１画素で光変調された光が、投射結像光学系により表示面上に結像されたときの結像領域をいう。前述の如く「画素フィールドは画素表示領域より小さ」く、１つの画素表示領域内で、画素フィールド位置が時間とともにずらされることにより、各画素表示領域に表示画素像が表示される。
【００１６】
即ち「表示画素像」は、複数の画素フィールドに結像される画素像が、時間と共に位置を変化されることにより、１つの画素表示領域に表示する像である。１つの画素表示領域においては各瞬間には、１つの画素フィールドのみの結像が行われているが、画素フィールドの位置が高速で切り替わることにより、観察者の残像として、複数の画素フィールドに結像された各画像が合成されて「表示画素像」をなす。そしてスクリーン上に観察されるのは表示画素像の集合像である。
【００１７】
図１に上記「画素表示領域」と「画素フィールド」の関係を概念的に示す。
この図は「４つの画素フィールドで１つの表示画素像を表示」する場合を想定している。符号ＧＨで示す桝目状部分の１つが「画素表示領域」である。符号Ｆ１〜Ｆ４は画素フィールドを示している。
【００１８】
画素フィールドに表示する画素像を、例えば、画素フィールドＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の順に高速で切り換えると、観察者には、残像として画素フィールドＦ１〜Ｆ４の画像が合成され、画素表示領域ＧＨに表示された「表示画素像」として観察されることになる。
【００１９】
「画素表示領域」はもともと、空間光変調素子における１画素に割り当てられた領域であり、画素フィールドＦ１〜Ｆ４に表示される画素像は「空間光変調素子における同一画素によるもの」である。従って、画素フィールドＦ１〜Ｆ４による表示を行うことにより、見かけ上、即ち、観察者の観察としては「空間光変調素子の画素密度に対して４倍の画素密度の画像」が表示されることになる。画素フィールドの数をさらに増やせば見掛けの画素密度はさらに高くなる。
【００２０】
図１に示したように、画素フィールドは相互に重なり合うし、隣接する画素表示領域へもはみ出す。しかし、画素フィールドは「画素表示領域よりも小さ」いので、相互の重なり幅や隣接する画素表示領域へのはみ出し量も大きくは無い。
【００２１】
この発明では「画素フィールド相互の重なりや隣接する画素表示領域へのはみ出し」をも考慮しつつ、各画素表示領域における合成画像に「ジャギー」や「画素フィールドの隙間」が目立たず、「表示画素像間のボケ」も少なくなるように、各画素フィールドに表示される画素像の光強度分布を「画素フィールドの中心を外れた位置にピークを持つ所定の分布」となるように設定し、この光強度分布を実現するように「照明光源からの光束を各画素に向って収束させる光強度分布設定手段の収束特性を設定する」のである。
【００２２】
上記「画素フィールドの中心を外れた位置にピークを持つ所定の分布」は、そのピーク値に対する相対比率（％）を、各画素フィールド用表示領域におけるフィールド中心においてＡ、フィールド中心から画素フィールド用表示領域全幅の１／５、２／５、４／５だけ離れた位置における相対比率を、それぞれＢ、Ｃ、Ｄとするとき、これらを設定することにより特定できる。
【００２３】
上記「画素フィールド用表示領域」は、１つの画素表示領域に表示される画素フィールドの数をｎとするとき、画素表示領域をｎ個の等面積・等形状に分割した各分割部分を言う。例えば、図１の例の如く、１つの画素表示領域ＧＨに表示される画素フィールドがＦ１〜Ｆ４の４個である場合であれば、画素フィールドごとに対応させて、画素表示領域ＧＨを縦横方向に２等分ずつして得られる４個の正方形形状の領域（画素表示領域の１／４の大きさを持ち、各々画素表示領域ＧＨと相似形である。）の個々が画素フィールド用表示領域である。
【００２４】
良好な画像表示を実現できるための、上記Ａ〜Ｄの組合せは幾通りかある。
【００２５】
例えば、
Ａ≧６５、Ｂ≧６０、Ｃ≧３０、Ｄ≦１８
を満足する設定は好ましいものの１つである（請求項２）。
【００２６】
Ａ〜Ｄの好ましい設定例としては、他に、
Ａ≧３０、Ｂ≧６０、Ｃ≧４１．２、Ｄ≦１８
を満足する設定（請求項３）、
Ａ≧３０、Ｂ≧６０、Ｃ≧３０、Ｄ≦１２
を満足する設定（請求項４）、
Ａ≧３０、Ｂ≧８０、Ｃ≧３０、Ｄ≦１８
を満足する設定（請求項５）、
Ａ≧３０、Ｂ≧６０、Ｃ≧６５、Ｄ≦１８
を満足する設定（請求項６）を挙げることができる。
【００２７】
上記請求項１〜６の任意の１に記載の画像表示装置において「照明光源からの光束を各画素に向って収束させる光強度分布設定手段」は、空間光変調素子の画素配列に対応してアレイ配列されたマイクロレンズアレイであることができ（請求項７）、また、「空間光変調素子の画素配列に対応してアレイ配列されたマイクロミラーアレイ」であることができる（請求項８）。
【００２８】
請求項７または８記載の画像表示装置においては「各画素により光変調された光束を、光強度分布設定手段の作用により画素よりも小さく集光し、投射結像光学系により、上記集光の位置もしくはその近傍を物体面として表示面上に結像させる」ように構成することができる。即ち、光強度分布設定手段は、光源からの光束を、空間光変調素子における各画素に向って収束させる。その収束位置は画素上であってもよいが、必ずしも画素上である必要はない。
【００２９】
光源側からの光束は、光強度分布設定手段により画素に向って収束される。そして、収束する光束が画素により光変調されて「画素よりも小さくなる部分」を物体面として、投射結像光学系により表示面上に結像させるので、表示面上における画素フィールドは「画素表示領域よりも小さく」なる。
【００３０】
このとき、表示面の画素フィールドに形成される画素像の光強度分布は、上記物体面における「収束する光束が画素よりも小さくなった部分」における強度分布の拡大像である。従って上記「収束する光束が画素よりも小さくなった部分」における強度分布が、表示面上において上記所定の光強度分布を実現するように、光強度分布設定手段による収束特性を設定するのである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図２は、画像表示装置の実施の１形態を示している。この画像表示装置は、３板式のカラー画像表示装置であり、「ライトバルブ」として赤・緑・青用の３枚の「反射型の液晶パネル」を用いるものである。
【００３２】
光源装置１から放射された照明用の白色光（「ロッドインテグレータなどの照度均一化手段」が用いられ、空間光変調素子の全域に対する照度分布を均一化する処理が施されている。）は平行光束に近い光束にされており、偏光器２により「偏光面が図面に直交する方向となる直線偏光」とされ、偏光ビームスプリッタ３に「Ｓ偏光」として入射し、偏光ビームスプリッタ３によりダイクロイックプリズム４に向けて反射される。
【００３３】
ダイクロイックプリズム４は、入射してくる白色光のうち「赤色成分」を反射させて赤成分画像用の液晶パネル（反射型）５Ｒに入射させ、「青色成分」を反射させて青成分画像用の液晶パネル５Ｂに入射させ、「緑色成分」を透過させて緑色成分画像用の液晶パネル５Ｇに入射させる。
【００３４】
液晶パネル５Ｒ、５Ｇ、５Ｂにはそれぞれ、表示すべきカラー画像の赤成分画像・緑成分画像・青成分画像が表示される。各液晶パネルに入射した光は反射されてダイクロイックプリズム４に戻るが、このとき、表示すべき各成分画像における「明部」では偏光面が当初の状態から９０度旋回され、「暗部」では偏光面は当初の状態に保たれるように光変調が行われる。かくして、各色照明光は、各液晶パネルにより赤・緑・青の各成分画像に応じ「偏光面の向き」の分布として空間光変調される。
【００３５】
各液晶パネル５Ｒ、５Ｇ、５Ｂにより空間光変調された光は、ダイクロイックプリズム４により「色合成」され、偏光ビームスプリッタ３に入射する。「画像の明部」を構成する光は偏光面が当初の状態から９０度旋回しているので、偏光ビームスプリッタ３に対してＰ偏光として入射し、同スプリッタ３を透過する。
「画像の暗部」となる光は当初の偏光状態を保っているので、偏光ビームスプリッタ３により反射される。このようにして、偏光ビームスプリッタ３を透過した光が、カラー画像を形成する結像光束となる。
【００３６】
この結像光束は、光路シフト手段６を介して投射結像光学系７に入射し、投射結像光学系７の結像作用により、スクリーン８上にカラー画像を形成する。
【００３７】
このとき、スクリーン８上に結像する各画素に対応する画素像は「画素表示領域よりも小さい画素フィールド」に結像している。説明の具体性のために、画素フィールド４つで単位の「表示画素像」を構成するものとする。
【００３８】
各液晶パネルでは、１つの表示画素像を構成する４つの画素フィールドの画素像を微小時間間隔で表示し、これに同期して光路シフト手段６が、結像光束の光路を上下・左右にシフトさせる。このようにして各液晶パネル５Ｒ〜５Ｇの画素密度に対して、見掛け上４倍の画素密度を持ったカラー画像をスクリーン８上に観察できる。
【００３９】
前述の如く、各液晶パネルを照明する照明光束は「ロッドインテグレータなどの照度均一化手段」により液晶パネルの画素配列全域に対する照度分布を均一化されているので、表示されるカラー画像も全体としては均一な明るさである。
【００４０】
図３に、反射型の液晶パネルの代表的な構成例を３例示す。
図３（ａ）に示すものは、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｏｎｓｉｌｉｃｏｎ）５１上に接着剤層５２によりマイクロレンズアレイ５３を一体化したものである。ＬＣＯＳは「シリコン基板上に反射面を形成し、その上に、透明な画素電極で挟持された液晶層を形成したもの」である。
【００４１】
図３（ｂ）に示すものは、ＬＣＯＳ５１上に接着剤層５２によりマイクロレンズアレイ５３Ａを一体化したものである。この例では、マイクロレンズのアレイが、マイクロレンズアレイ５３とは逆の側の面に形成されている。
【００４２】
図３（ｃ）に示すものは、ＬＣＯＳ５１上に接着剤層５２によりマイクロレンズアレイ５３Ａを一体化し、その上にさらに接着剤層５４により透明基板５５を一体化したものである。
【００４３】
これら液晶パネルにおける「画素の配列」は、碁盤目状やハニカム状であり、画素配列はマイクロレンズアレイ５３等におけるマイクロレンズの配列と１：１に対応している。照明光は図５（ａ）〜（ｃ）の上側から照射され、マイクロレンズアレイ５３、５３Ａの各マイクロレンズにより集光され、対応する画素を照射する。図３に示した３例の液晶パネルは、何れも、図２の実施の形態における液晶パネル５Ｒ、５Ｇ、５Ｂとして使用することができる。
【００４４】
図５は、説明中の実施の形態において、各液晶パネルにおけるマイクロレンズ５３０の作用を示している。光源側からの光束（ここでは平行光束としているが必ずしもこれに限らず、発散性や収束性であることもあり得る。）はマイクロレンズ５３０の収束作用により、液晶パネルの対応する画素に向って収束され、収束途上において上記画素の反射面５１０で反射され、再度マイクロレンズ５３０に入射し、マイクロレンズ５３０の上方（スクリーン側）において集光する。
【００４５】
図においては、マイクロレンズ５３０を上側へ透過した光束が１点で集光しているように描かれているが、実際には「有限の広がりを持った光スポット」として集光することになる。各画素に対応した集光点は同一面５４０上にあり、投射結像光学系は、この面５４０を「物体面」として、各画素に応じた光スポットを表示面であるスクリーン上に結像させる。このとき結像される個々の光スポット像（画素像）の結像領域が「画素フィールド」である。
【００４６】
画素フィールドの物点となる上記物体面上の各「光スポット」は、液晶パネルにおける各画素よりも小さく（画素の大きさの１／２程度、面積にして１／４程度）集光しているので、その像が結像する画素フィールドは「画素表示領域」よりも小さくなる（画素表示領域の面積の１／４程度）。
図４は、スクリーン上における画素表示領域と画素フィールドの関係を示している。太線の枠が画素表示領域ＧＨを示し、破線の円形Ｆ１が画素フィールドを示す。画素フィールドの位置を上限左右に変位させて、画像表示領域ＧＨに画像を合成的に表示することは、先に図１に即して説明したとおりである。
【００４７】
ところで、この発明の対象である画像表示装置において一般的に用いられる光源装置は「ランプ光源」であって、その照度分布は良く知られたように「照明光束の中心強度がやや落ち込んだ特性」であることが多い。図６は、このような照度分布の典型例を示している。照度分布は軸対称的である。
【００４８】
画像表示装置における各画素の結像を考えると、スクリーン上の各画素フィールドに結像されるのは「各画素を通過する光路において、光源とスクリーンとの間にある結像光学系による光源の像」であり、従って、一般的には、各画素フィールドにおける強度分布も、光源の照度分布に類似した分布になる。
【００４９】
図４に示すように、画素フィールドＦ１の周辺部は、隣接する画素フィールドとも重なるし、隣接する画像表示領域へもはみ出している。このような画素フィールドの重なり（同一画素表示領域内での重なり、隣接する画素表示領域の画素フィールドとの重なり）においては、画素フィールドの光強度分布が互いに加え合わせられることになる。
【００５０】
このため、表示される画像においては画素像相互間に光強度の不均一が生じやすく、このような光強度の不均一が顕著になると前述したように、スクリーン上の画像に「ジャギー」が発生し、「画素フィールドの隙間」が目立ち、「表示画素像間のボケ」が発生する。
【００５１】
そこで発明者らは画像シミュレーションにより、以下の如くしてスクリーン上の表示画像の画質評価を「相対劣化尺度法に準拠した官能評価」で行った。
図４に示す如く、１つの画像表示領域に４つの画素フィールドを表示することとし、１つの画素表示領域ＧＨを画素フィールドに応じて４分割し、分割された各「画素フィールド用表示領域」をさらに５×５の「子領域」に分割した。この分割領域を構成する５×５の子領域の個々に光強度を割り振った。
【００５２】
前述の如く、画素フィールドにおける光強度は「中心の回りに軸回転対称」であるので、５×５個の子領域で構成される画素フィールド用表示領域のうち、中央の子領域：ａ、画素フィールド用表示領域全幅（子領域５つ分の幅）を５等分し、画素フィールド用表示領域の中央から１／５だけ離れた子領域：ｂ、中央から２／５だけ離れた子領域：ｃ、中央から４／５だけ離れた子領域（隣接する画素フィールドもしくは隣接する画素表示領域の画素フィールドと重なり合う子領域）：ｄの４点で、上記光強度分布を特定した。このように「４つの子領域：ａ〜ｄに対して、光強度値をそれぞれ独立に設定する」ことにより任意の光強度分布が得られる。
【００５３】
官能評価による画質評価は５段階評価とし「表示画像のぼけ方、エッジのジャギー、細線の分離性、色のにじみ、写真の見映え、文字の見易さ」などを総合評価し、５点を最良点として４点以上を満たす条件について検討した。
【００５４】
光強度分布のピーク値を１００とし、上記各子領域：ａ、ｂ、ｃ、ｄにおける光強度分布の上記ピーク値に対する相対比率（％）をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとした。
光源の照度分布が図６に示すように「照明光束の中心強度がやや落ち込んだ特性」であることに鑑み、画素フィールドにおける光強度分布においても、光強度分布のピーク値が画素フィールドの中央部（子領域：ａ）を外れている場合を調べた。
【００５５】
その結果、まず、Ａ≧６５、Ｂ≧６０、Ｃ≧３０、Ｄ≦１８なる場合において５段階評価で４以上の評価結果が得られた（請求項２）。
この場合において、Ａ＝６５、Ｂ＝６０、Ｃ＝３０、Ｄ＝１８の場合の光強度分布を図７に示す。
【００５６】
上記結果において、相対比率：Ａの値を下げた場合にも４以上の評価結果が得られる条件は、
Ａ≧３０、Ｂ≧６０、Ｃ≧４１．２、Ｄ≦１８、
であることがわかった（請求項３）。パラメータＣの範囲は狭くなったがパラメータＡの範囲は広くなっている。
【００５７】
また、
Ａ≧３０、Ｂ≧６０、Ｃ≧３０、Ｄ≦１２
の条件でも４以上の評価結果が得られた（請求項４）。パラメータＤの範囲は狭くなったが、パラメータＣの範囲は広くなっている。
【００５８】
さらに、
Ａ≧３０、Ｂ≧８０、Ｃ≧３０、Ｄ≦１８
の条件でも４以上の評価結果が得られた（請求項５）。パラメータＢの範囲は狭くなったがパラメータＤの範囲は広くなっている。
【００５９】
また、
Ａ≧３０、Ｂ≧６０、Ｃ≧６５、Ｄ≦１８
の条件でも４以上の評価結果が得られた（請求項６）。パラメータＣの範囲は狭くなったがパラメータＢの範囲は広くなっている。
【００６０】
上記の各結果から「画素フィールド中心における光強度がピーク値になっていなくてもよい」ことがわかった（請求項１）。
【００６１】
上記のような「画素フィールドにおける中心光強度が落ちるような光強度分布のプロファイル」が許容されると、このプロファイルの周辺分布状態を最適化し易くなり、最適設計が容易化されるという副次的効果が得られる。
【００６２】
官能評価の解析結果から得られた重要なことは、表示面上の画素フィールドにおける画素像の光強度分布は「強度ピークが中心になくとも良い」こと、強度ピークが画素フィールドの中心から「やや外れたところ」にあっても、画素フィールドの境界外側、すなわち隣接する画素フィールドに重複するプロファイルの減衰率が高ければ良いことである。
【００６３】
今回検討した相対比率：Ａ〜Ｄの寄与率は以下のようで、Ｃ、Ｄ、Ａ、Ｂの順に高いことがわかった。
【００６４】

評価した範囲内で最良の結果はＡ＝６０、Ｂ＝１００、Ｃ＝８０、Ｄ＝６なる条件を満たす分布である。
【００６５】
マイクロレンズを空間光変調素子の画素の各々と１：１に設け、マイクロレンズによって空間光変調素子から放射する光束を集光し、その集光像を拡大投射系によって表示面に結像させると、表示面上の画素フィールドのサイズを縮小できる。このようにすると画素ずらし表示したときに互いの画素フィールドの重なり合いが少ないので画素フィールド相互の分離性が高くなる。
【００６６】
ここで、マイクロレンズによって収束された光束の光強度分布は、マイクロレンズの光学諸元（曲率半径、非球面係数、肉厚、屈折率、マイクロレンズの前後に他の材料がある場合にはこれらのパラメータも含まれる。）によって調整できる。この調整により表示面上における画素フィールドの光強度分布を調整でき、このことを利用して画素フィールドにおける画素像の光強度分布として、上記の如く、官能評価で４点以上となるような光強度分布を実現できる。
【００６７】
例えば、上記の如く「光強度分布設定手段」としてマイクロレンズアレイを用いる場合であれば、光線追跡法により画素フィールドの光強度分布が上記の如き分布となるような「個々のマイクロレンズの非球面形状」を、光線追跡法を用いて最適化すればよい。これに伴い「収束特性」が定まる。
【００６８】
この調整方法は「空間光変調素子から放射される光束の集光状態によって分布を変形する手段」であるので光量ロスはない。よって、表示装置の光利用効率を低下させることはない。
【００６９】
マイクロレンズのかわりにマイクロミラーを用いることもできる。この場合は例えば、反射型の空間光変調素子の「画素の反射面」自体を「非球面の凹面ミラー」にすればよい。この場合も、上記と同様に収束光束の光強度分布を変形でき、マイクロレンズを用いた場合と同様の効果が得られる（請求項８）。
【００７０】
結像光束は、投射結像光学系を通過して表示面に導光されるので、厳密に言えば、投射結像光学系も「画素フィールドにおける光強度分布の変形」に寄与するが、分布の決定に支配的なのはマイクロレンズもしくはマイクロミラーにより収束される光束の収束特性である。投射結像光学系は複数の画素から放射された多数の光束が各々異なる位置を通過する状態で用いられるので、各光束について光強度分布をポジティブにコントロールすることは難しい。
【００７１】
マイクロレンズあるいはマイクロミラーによる集光像を投射結像光学系で再結像する系において、マイクロレンズないしマイクロミラーによる収束光束が最も収束する位置から光軸方向の前後にデフォーカスした位置では、光強度分布特性が異なっている。そこで、投射結像光学系に対する物体面を、上記集光位置の前後に移動することによって、前記の集光位置前後の分布を表示面上に再生し、画素フィールドにおける光強度の分布形状を変えることもできる（請求項９）。
【００７２】
勿論、投射結像光学系をデフォーカスさせる場合には、表示面の位置もデフォーカスさせる。
【００７３】
光強度分布設定手段としては、上に説明したものの他、マイクロレンズアレイを２段以上設けるものや、マイクロレンズアレイとマイクロミラーアレイをハイブリッド構成するなどの構成例も可能である。空間光変調素子も、反射型のもののみならず、透過型のものを用いることもできることは言うまでもない。
【００７４】
また、上には３枚の液晶パネルを用いてカラー画像を表示する実施の形態を示したが（図２）、これに限らず、１枚の液晶パネルを用い、カラースクロールフィルタ等で液晶パネルに照射する光の色を赤・緑・青に順次切り換える「フィールドシーケンシャル方式の画像表示装置」に対してもこの発明を実施できることは言うまでもない。
【００７５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な画像表示装置を実現できる。
この発明の画像表示装置は上記の如く、表示面上に表示される画像の画素密度を見掛け上「空間光変調素子の画素密度」より増大させることができ、且つ、通常の光源の有する「中心光強度が落ちるような光強度分布のプロファイル」に拘らず、表示画像のぼけ、エッジのジャギーや色のにじみが目立たず、細線の分離性、写真の見映え、文字の見易さが良好な画像を表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】画素表示領域ＧＨと画素フィールドＦ１〜Ｆ４の関係を説明するための図である。
【図２】画像表示装置の１例を説明するための図である。
【図３】空間光変調素子としての液晶パネルの構成の３例を示す図である。
【図４】この発明の特徴部分を説明するための図である。
【図５】液晶パネルにおけるマイクロレンズの作用を説明するための図である。
【図６】画像表示装置の光源からの光束の照度分布の一般的なプロファイルを示す図である。
【図７】請求項２記載の発明による表示面上の画素フィールド内における光強度分布の１例を示す図である。
【符号の説明】
ＧＨ画素表示領域
Ｆ１〜Ｆ４画素フィールド
５Ｒ〜５Ｇ液晶パネル（空間光変調素子）
５３０マイクロレンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device that projects light formed by a spatial light modulator on a display surface such as a screen and displays the image. The image display device of the present invention can be implemented as a front projector, a rear projector that projects a real image, a head-mounted display that projects a virtual image, a viewfinder, and the like.
[0002]
[Prior art]
As a method for increasing the resolution of a projector device, a “pixel shift display” method has been proposed in which the number of display pixels is increased without increasing the number of pixels of a spatial light modulation element such as a DMD or a light valve (Patent Document 1, etc.) ). In this method, the "position at which the pixel on the spatial light modulation element is enlarged and displayed" is time-divisionally shifted by one pixel or less by an optical means or the like, and each pixel shifted and displayed has different image information as necessary. Is given to display more pixels than the apparent number of pixels of the spatial light modulator.
[0003]
In the image display by the "pixel shift display method", when "pixel image of the same size as that without pixel shift" is displayed on the screen, when the pixel is shifted, the shifted pixel is It is preferable to reduce the “size of the pixel image” displayed on the screen, since the overlapping deteriorates the image quality of the display image.
[0004]
As a method of reducing the size of a pixel image, light from a light source side is condensed for each microlens by an array of microlenses corresponding to the pixels of the transmissive liquid crystal panel in a 1: 1 correspondence with each microlens. A method of illuminating a pixel with a “spot smaller than the aperture of the pixel” has been proposed (Patent Document 2).
[0005]
According to the “pixel shift display method” as described above, more pixels can be displayed “apparently” than the number of pixels of the spatial light modulator, but the “number of pixels displayed” The image quality of the "enhanced image" has not heretofore been considered a problem.
[0006]
The inventor's research has found that the image quality of an image displayed by the pixel shift display method depends on the distribution of light intensity in a pixel field on a screen.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-04-113308
[Patent Document 2]
JP-A-09-054554
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to realize display of an image with excellent image quality in an image display device that performs image display by a pixel shift display method based on the above knowledge obtained by the inventors.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The image display device according to the present invention is configured such that “light modulated by a spatial light modulation element in which a large number of pixels are two-dimensionally arranged is guided on a display surface by a projection imaging optical system, and is modulated by each pixel. The luminous flux forms a pixel image in a pixel field smaller than the corresponding pixel display area so as to form an image.By shifting the pixel field position of each pixel with time, a display pixel image is formed in each pixel display area. An image display device for displaying ", comprising light intensity distribution setting means (claim 1).
[0010]
The `` light intensity distribution setting means '' adjusts the luminous flux from the illumination light source such that the light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field has a predetermined distribution having a peak at a position off the center of the pixel field. "Convergence characteristics" for converging on each pixel are set.
[0011]
Here, the terms will be briefly described.
The “spatial light modulator” is a device in which a number of pixels are two-dimensionally arranged, and can modulate the intensity of transmitted light or reflected light in each pixel unit. Such as a valve or DMD. Therefore, one unit that can modulate the light intensity of transmitted light or reflected light is a “pixel”.
[0012]
The “two-dimensional array of a large number of pixels” may be a linear array in two orthogonal directions, such as a grid pattern, or a so-called “staggered (or honeycomb) shape”.
[0013]
The “display surface” is a surface on which light spatially modulated by the spatial light modulator is displayed as an “image” by the projection imaging optical system, and is generally a “screen”.
[0014]
"Pixel display area" is an area area allocated to one pixel on the display surface. For example, in a spatial light modulator, when N pixels in the horizontal direction and M pixels in the vertical direction are arranged in a grid pattern, an image displayed on the spatial light modulator is horizontally LH (mm). ), Vertical: when displayed in LV (mm), the “horizontal: LH / N (mm), vertical: LV / M (mm) area” is one pixel of the spatial light modulator on the screen. This is the area area to be assigned, and is the “pixel display area”.
[0015]
“Pixel field” refers to an image forming area when light modulated by one pixel of the spatial light modulator is formed on the display surface by the projection image forming optical system. As described above, the “pixel field is smaller than the pixel display area”, and the display pixel image is displayed in each pixel display area by shifting the pixel field position with time within one pixel display area.
[0016]
That is, the “display pixel image” is an image displayed in one pixel display area by changing the position of a pixel image formed in a plurality of pixel fields with time. In one pixel display area, an image of only one pixel field is formed at each moment. However, since the positions of the pixel fields are switched at a high speed, the image is formed on a plurality of pixel fields as an afterimage of the observer. The formed images are combined to form a “display pixel image”. What is observed on the screen is a set image of display pixel images.
[0017]
FIG. 1 conceptually shows the relationship between the “pixel display area” and the “pixel field”.
This figure assumes a case where “one display pixel image is displayed in four pixel fields”. One of the mesh-shaped portions indicated by reference numeral GH is a “pixel display area”. Symbols F1 to F4 indicate pixel fields.
[0018]
When the pixel images to be displayed in the pixel fields are switched at high speed in the order of, for example, the pixel fields F1, F2, F3, and F4, the observer is combined with the images of the pixel fields F1 to F4 as an afterimage, and is displayed in the pixel display area GH. This will be observed as the displayed “display pixel image”.
[0019]
The “pixel display area” is originally an area assigned to one pixel in the spatial light modulator, and the pixel images displayed in the pixel fields F1 to F4 are “one by the same pixel in the spatial light modulator”. Therefore, by performing display using the pixel fields F1 to F4, an apparent image, that is, an image having a pixel density four times as high as the pixel density of the spatial light modulator can be displayed. Become. Increasing the number of pixel fields further increases the apparent pixel density.
[0020]
As shown in FIG. 1, the pixel fields overlap each other and extend to adjacent pixel display areas. However, since the pixel field is "smaller than the pixel display area", the overlap width between the pixel fields and the amount of protrusion to the adjacent pixel display area are not large.
[0021]
In the present invention, while considering "overlap between pixel fields and protrusion to adjacent pixel display areas", "jaggies" and "gaps between pixel fields" are not conspicuous in the composite image in each pixel display area, and "display pixels" In order to reduce `` blur between images '', the light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field is set to be `` a predetermined distribution having a peak at a position off the center of the pixel field '', and this In order to realize the light intensity distribution, "the convergence characteristic of the light intensity distribution setting means for converging the light flux from the illumination light source toward each pixel" is set.
[0022]
The “predetermined distribution having a peak at a position off the center of the pixel field” indicates that the relative ratio (%) to the peak value is A at the field center in each pixel field display area, and the pixel field display from the field center. When the relative ratios at positions separated by 1/5, 2/5, and 4/5 of the entire width of the region are B, C, and D, respectively, the relative ratios can be specified by setting these.
[0023]
The “display area for pixel field” refers to each divided portion obtained by dividing the pixel display area into n equal areas and equal shapes, where n is the number of pixel fields displayed in one pixel display area. For example, if the number of pixel fields displayed in one pixel display area GH is four, that is, F1 to F4, as in the example of FIG. Each of the four square-shaped areas (having a size of 1/4 of the pixel display area and each having a shape similar to the pixel display area GH) obtained by dividing the pixel area into two equal parts is divided into pixel field display areas. It is.
[0024]
There are several combinations of the above A to D for realizing a good image display.
[0025]
For example,
A ≧ 65, B ≧ 60, C ≧ 30, D ≦ 18
Is a preferable setting (claim 2).
[0026]
As a preferable setting example of A to D, besides,
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 41.2, D ≦ 18
Setting that satisfies (claim 3),
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 30, D ≦ 12
(Claim 4),
A ≧ 30, B ≧ 80, C ≧ 30, D ≦ 18
Setting that satisfies (claim 5),
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 65, D ≦ 18
(Claim 6).
[0027]
In the image display device according to any one of claims 1 to 6, the "light intensity distribution setting means for converging a light beam from the illumination light source toward each pixel" corresponds to a pixel array of the spatial light modulator. It may be a microlens array arranged in an array (Claim 7), and may be a "micromirror array arranged in an array corresponding to the pixel arrangement of the spatial light modulator" (Claim 8). .
[0028]
9. The image display device according to claim 7, wherein "the light flux modulated by each pixel is condensed smaller than the pixel by the action of the light intensity distribution setting means, and the light condensed by the projection imaging optical system. The position or the vicinity thereof is imaged on the display surface as the object plane. " That is, the light intensity distribution setting means converges the light flux from the light source toward each pixel in the spatial light modulator. The convergence position may be on a pixel, but need not necessarily be on a pixel.
[0029]
The light flux from the light source side is converged toward the pixel by the light intensity distribution setting means. Then, the converging light flux is light-modulated by the pixel, and an image is formed on the display surface by the projection imaging optical system with the “portion smaller than the pixel” as the object surface, so that the pixel field on the display surface is “pixel display”. Smaller than the area ".
[0030]
At this time, the light intensity distribution of the pixel image formed in the pixel field on the display surface is an enlarged image of the intensity distribution in the “portion where the converging light flux is smaller than the pixel” on the object surface. Therefore, the convergence characteristic is set by the light intensity distribution setting means so that the intensity distribution in the “portion where the converging light beam is smaller than the pixel” realizes the predetermined light intensity distribution on the display surface.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 shows an embodiment of the image display device. This image display device is a three-plate type color image display device, and uses three “reflective liquid crystal panels” for red, green, and blue as “light valves”.
[0032]
The white light for illumination emitted from the light source device 1 ("illumination uniformizing means such as a rod integrator" is used, and a process for equalizing the illuminance distribution over the entire area of the spatial light modulation element is performed). The light is converted into a light flux close to the light flux, converted into “linearly polarized light whose polarization plane is in a direction perpendicular to the drawing” by the polarizer 2, incident on the polarization beam splitter 3 as “S-polarized light”, and is subjected to the dichroic prism by the polarization beam splitter 3. 4 is reflected.
[0033]
The dichroic prism 4 reflects the “red component” of the incident white light to make it incident on the liquid crystal panel (reflection type) 5R for the red component image, reflects the “blue component”, and reflects the “blue component” for the blue component image. The light is incident on the liquid crystal panel 5B, the “green component” is transmitted, and is incident on the liquid crystal panel 5G for the green component image.
[0034]
The liquid crystal panels 5R, 5G, and 5B respectively display a red component image, a green component image, and a blue component image of a color image to be displayed. The light incident on each liquid crystal panel is reflected and returns to the dichroic prism 4. At this time, in the "bright portion" of each component image to be displayed, the polarization plane is turned by 90 degrees from the initial state, and in the "dark portion", the polarized light is polarized. Light modulation is performed so that the surface is kept in the original state. Thus, the illumination light of each color is spatially modulated by each liquid crystal panel as a distribution of “direction of polarization plane” according to each of the red, green, and blue component images.
[0035]
The light spatially modulated by each of the liquid crystal panels 5R, 5G, and 5B is "color-synthesized" by the dichroic prism 4 and enters the polarization beam splitter 3. Since the polarization plane of the light constituting the “bright portion of the image” is rotated by 90 degrees from the initial state, the light enters the polarization beam splitter 3 as P-polarized light and passes through the same.
The light serving as the “dark part of the image” maintains its original polarization state, and is reflected by the polarization beam splitter 3. Thus, the light transmitted through the polarizing beam splitter 3 becomes an image forming light beam for forming a color image.
[0036]
This imaging light flux enters the projection imaging optical system 7 via the optical path shifting means 6, and forms a color image on the screen 8 by the imaging action of the projection imaging optical system 7.
[0037]
At this time, the pixel image corresponding to each pixel formed on the screen 8 is formed in a “pixel field smaller than the pixel display area”. For the sake of specificity of description, it is assumed that a unit “display pixel image” is constituted by four pixel fields.
[0038]
In each liquid crystal panel, pixel images of four pixel fields constituting one display pixel image are displayed at minute time intervals, and in synchronization with this, the optical path shifting means 6 shifts the optical path of the imaged light beam up, down, left, and right. Let it. In this way, a color image having an apparently four times higher pixel density than the liquid crystal panels 5R to 5G can be observed on the screen 8.
[0039]
As described above, the illumination light flux for illuminating each liquid crystal panel has uniformed the illuminance distribution over the entire pixel array of the liquid crystal panel by "illuminance uniforming means such as a rod integrator", so that the displayed color image as a whole is also Uniform brightness.
[0040]
FIG. 3 shows three typical configuration examples of a reflection type liquid crystal panel.
In FIG. 3A, a micro lens array 53 is integrated with an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) 51 by an adhesive layer 52. LCOS is “a reflective surface formed on a silicon substrate and a liquid crystal layer sandwiched between transparent pixel electrodes formed thereon”.
[0041]
FIG. 3B shows a configuration in which a microlens array 53 </ b> A is integrated on an LCOS 51 by an adhesive layer 52. In this example, the microlens array is formed on the surface opposite to the microlens array 53.
[0042]
In FIG. 3C, the micro lens array 53A is integrated on the LCOS 51 by an adhesive layer 52, and the transparent substrate 55 is further integrated on the LCOS 51 by an adhesive layer 54.
[0043]
The “array of pixels” in these liquid crystal panels has a grid pattern or a honeycomb shape, and the pixel array corresponds to the microlens array in the microlens array 53 and the like 1: 1. The illumination light is emitted from above in FIGS. 5A to 5C, collected by the microlenses of the

microlens arrays

53 and 53A, and illuminates the corresponding pixels. Any of the three examples of the liquid crystal panel shown in FIG. 3 can be used as the liquid crystal panels 5R, 5G, and 5B in the embodiment of FIG.
[0044]
FIG. 5 shows the operation of the microlens 530 in each liquid crystal panel in the embodiment being described. The light beam from the light source side (here, a parallel light beam is not necessarily limited to this, but may be divergent or convergent). The light is converged, reflected on the reflection surface 510 of the pixel during the convergence, re-enters the micro lens 530, and is condensed above the micro lens 530 (screen side).
[0045]
In the figure, the light beam transmitted upward through the microlens 530 is depicted as being converged at one point, but is actually condensed as a “light spot having a finite spread”. . The condensing point corresponding to each pixel is on the same surface 540, and the projection imaging optical system uses this surface 540 as an "object surface" to form a light spot corresponding to each pixel on a screen as a display surface. Let it. At this time, an image forming region of each light spot image (pixel image) formed is a “pixel field”.
[0046]
Each “light spot” on the object plane, which is an object point of a pixel field, is condensed and condensed (about の of the size of the pixel and about ４ of the area) smaller than each pixel in the liquid crystal panel. Therefore, the pixel field on which the image is formed is smaller than the “pixel display area” (about １／ of the area of the pixel display area).
FIG. 4 shows the relationship between the pixel display area and the pixel field on the screen. A bold frame indicates the pixel display area GH, and a dashed circle F1 indicates a pixel field. As described above with reference to FIG. 1, the position of the pixel field is displaced to the upper left and right and the image is synthetically displayed in the image display area GH.
[0047]
By the way, the light source device generally used in the image display device which is the object of the present invention is a "lamp light source", and its illuminance distribution is, as is well known, "a characteristic in which the central intensity of the illuminating light beam is slightly lowered". Often it is. FIG. 6 shows a typical example of such an illuminance distribution. The illuminance distribution is axisymmetric.
[0048]
Considering the image formation of each pixel in the image display device, what is imaged in each pixel field on the screen is "in the light path passing through each pixel, the light source is formed by the imaging optical system between the light source and the screen. Image ", and therefore, generally, the intensity distribution in each pixel field is also similar to the illuminance distribution of the light source.
[0049]
As shown in FIG. 4, the peripheral portion of the pixel field F1 overlaps with an adjacent pixel field and protrudes into an adjacent image display area. In such an overlap of pixel fields (overlap in the same pixel display area, overlap with a pixel field in an adjacent pixel display area), the light intensity distributions of the pixel fields are added to each other.
[0050]
For this reason, in the displayed image, light intensity non-uniformity is likely to occur between pixel images, and if such light intensity non-uniformity becomes remarkable, "jaggies" occur in the image on the screen as described above. However, the “gap between pixel fields” is conspicuous, and “blur between display pixel images” occurs.
[0051]
Therefore, the inventors evaluated the image quality of the display image on the screen by “image sensory evaluation” based on the “relative deterioration scale method” by image simulation as follows.
As shown in FIG. 4, four pixel fields are displayed in one image display area, and one pixel display area GH is divided into four according to the pixel fields, and each of the divided “display areas for pixel fields” is divided. It was further divided into 5 × 5 “child areas”. Light intensity was assigned to each of the 5 × 5 child regions constituting this divided region.
[0052]
As described above, since the light intensity in the pixel field is “axially rotationally symmetrical about the center”, the center child area: a, pixel in the pixel field display area composed of 5 × 5 child areas The entire width of the display area for the field (the width of five child areas) is divided into five equal parts, a child area separated by 1/5 from the center of the pixel field display area: b, and a child area separated by 2/5 from the center: The light intensity distribution was specified at four points: c, a child area 4/5 away from the center (an adjacent pixel field or a child area overlapping with a pixel field of an adjacent pixel display area): d. As described above, an arbitrary light intensity distribution can be obtained by setting the light intensity values independently for the four child regions: a to d.
[0053]
The image quality evaluation based on the sensory evaluation was evaluated on a five-point scale, and comprehensive evaluations were made on “how to blur the displayed image, jagged edges, separability of fine lines, color bleeding, appearance of photographs, and legibility of characters”. The conditions satisfying four or more points were examined as the best points.
[0054]
The peak value of the light intensity distribution was set to 100, and the relative ratios (%) to the peak values of the light intensity distribution in the child regions: a, b, c, and d were set to A, B, C, and D.
In view of the fact that the illuminance distribution of the light source is "a characteristic in which the center intensity of the illumination light flux is slightly lowered" as shown in FIG. 6, also in the light intensity distribution in the pixel field, the peak value of the light intensity distribution is at the center of the pixel field. (Child region: a) was examined.
[0055]
As a result, first, when A ≧ 65, B ≧ 60, C ≧ 30, and D ≦ 18, four or more evaluation results were obtained in five-step evaluation (claim 2).
In this case, FIG. 7 shows the light intensity distribution when A = 65, B = 60, C = 30, and D = 18.
[0056]
In the above results, the condition under which the evaluation result of 4 or more is obtained even when the value of the relative ratio: A is lowered is
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 41.2, D ≦ 18,
(Claim 3). The range of parameter C has been narrowed, but the range of parameter A has been widened.
[0057]
Also,
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 30, D ≦ 12
The evaluation result of 4 or more was obtained even under the condition (4). The range of parameter D has become narrower, while the range of parameter C has become wider.
[0058]
further,
A ≧ 30, B ≧ 80, C ≧ 30, D ≦ 18
The evaluation result of 4 or more was obtained even under the condition of (5) (claim 5). The range of the parameter B has been narrowed, but the range of the parameter D has been widened.
[0059]
Also,
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 65, D ≦ 18
The evaluation result of 4 or more was obtained also under the condition of (6). The range of the parameter C has been narrowed, but the range of the parameter B has been widened.
[0060]
From the above results, it was found that "the light intensity at the pixel field center does not have to be the peak value" (claim 1).
[0061]
When the above “profile of the light intensity distribution such that the central light intensity in the pixel field decreases” is allowed, it is easy to optimize the peripheral distribution state of this profile, and the secondary design that the optimum design is facilitated. The effect is obtained.
[0062]
The important thing obtained from the analysis results of the sensory evaluation is that the light intensity distribution of the pixel image in the pixel field on the display surface is `` the intensity peak does not have to be at the center '', and the intensity peak is `` somewhat '' from the center of the pixel field. Even if it is "out of place", it is only necessary that the attenuation factor of the profile overlapping the boundary of the pixel field, that is, the profile overlapping the adjacent pixel field is high.
[0063]
The contribution ratios of the relative ratios A to D examined this time are as follows, and it was found that C, D, A, and B increased in this order.
[0064]

The best result within the evaluated range is a distribution satisfying the conditions of A = 60, B = 100, C = 80, and D = 6.
[0065]
A microlens is provided at a ratio of 1: 1 with each of the pixels of the spatial light modulator, a light beam emitted from the spatial light modulator is condensed by the microlens, and the condensed image is formed on a display surface by an enlarged projection system. The size of the pixel field on the display surface can be reduced. In this way, when the pixels are shifted and displayed, the overlap between the pixel fields is small, so that the separation between the pixel fields is enhanced.
[0066]
Here, the light intensity distribution of the luminous flux converged by the microlens is based on the optical parameters of the microlens (the radius of curvature, the aspheric coefficient, the thickness, the refractive index, and the presence of other materials before and after the microlens. Are also included.). By this adjustment, the light intensity distribution of the pixel field on the display surface can be adjusted, and by using this, the light intensity distribution of the pixel image in the pixel field is such that the light intensity becomes four or more points in the sensory evaluation as described above. Distribution can be realized.
[0067]
For example, if a microlens array is used as the “light intensity distribution setting means” as described above, “an aspheric surface of each microlens such that the light intensity distribution of the pixel field becomes the above distribution by the ray tracing method” The “shape” may be optimized using a ray tracing method. Accordingly, the “convergence characteristic” is determined.
[0068]
This adjustment method is “a means for changing the distribution depending on the condensing state of the light beam emitted from the spatial light modulation element”, so that there is no light amount loss. Therefore, the light use efficiency of the display device is not reduced.
[0069]
A micro mirror can be used instead of the micro lens. In this case, for example, the "reflective surface of the pixel" of the reflective spatial light modulator may be an "aspherical concave mirror". Also in this case, the light intensity distribution of the convergent light beam can be deformed in the same manner as described above, and the same effect as when a microlens is used can be obtained (claim 8).
[0070]
Since the imaging light flux passes through the projection imaging optical system and is guided to the display surface, strictly speaking, the projection imaging optical system also contributes to “deformation of the light intensity distribution in the pixel field”. Is dominant in the convergence characteristics of the light beam converged by the microlens or micromirror. Since the projection imaging optical system is used in a state where a large number of light beams emitted from a plurality of pixels pass through different positions, it is difficult to positively control the light intensity distribution for each light beam.
[0071]
In a system in which a condensed image formed by a microlens or a micromirror is re-imaged by a projection imaging optical system, light is defocused at a position defocused before and after in the optical axis direction from a position at which a convergent light beam by a microlens or a micromirror converges most. The intensity distribution characteristics are different. Therefore, by moving the object plane with respect to the projection imaging optical system before and after the focusing position, the distribution before and after the focusing position is reproduced on the display surface, and the distribution shape of the light intensity in the pixel field is changed. (Claim 9).
[0072]
Of course, when the projection imaging optical system is defocused, the position of the display surface is also defocused.
[0073]
As the light intensity distribution setting means, in addition to the above-described one, a configuration example in which two or more microlens arrays are provided, or a hybrid configuration of a microlens array and a micromirror array is also possible. It goes without saying that not only a reflection-type spatial light modulation element but also a transmission-type spatial light modulation element can be used.
[0074]
Although the embodiment in which a color image is displayed using three liquid crystal panels is shown above (FIG. 2), the present invention is not limited to this. It is needless to say that the present invention can also be applied to a "field sequential type image display device" in which the color of light to be applied to the device is sequentially switched to red, green, and blue.
[0075]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a novel image display device can be realized.
As described above, the image display device of the present invention can apparently increase the pixel density of the image displayed on the display surface from the “pixel density of the spatial light modulator”, and can reduce the “center” of the ordinary light source. Despite the light intensity distribution profile where the light intensity decreases, blurring of displayed images, edge jaggies and color bleeding are inconspicuous, fine line separability, photo appearance, and easy-to-read characters Images can be displayed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a relationship between a pixel display area GH and pixel fields F1 to F4.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an image display device.
FIG. 3 is a diagram illustrating three examples of a configuration of a liquid crystal panel as a spatial light modulation element.
FIG. 4 is a diagram for explaining a characteristic portion of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the function of a micro lens in a liquid crystal panel.
FIG. 6 is a diagram illustrating a general profile of an illuminance distribution of a light beam from a light source of the image display device.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a light intensity distribution in a pixel field on a display surface according to the invention described in claim 2;
[Explanation of symbols]
GH pixel display area
F1 to F4 pixel fields
5R-5G liquid crystal panel (spatial light modulator)
530 micro lens

Claims

A light beam modulated by a spatial light modulator in which a number of pixels are two-dimensionally arranged is guided on a display surface by a projection / imaging optical system, and a light beam modulated by each of the pixels forms a corresponding pixel. In an image display device that displays a display pixel image in each pixel display area by forming a pixel image in a pixel field smaller than the display area so as to form an image and shifting the pixel field position of each pixel with time,
The light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field is a predetermined distribution having a peak at a position off the center of the pixel field,
An image display device wherein convergence characteristics of light intensity distribution setting means for individually converging a light beam from an illumination light source toward each pixel are set.

The image display device according to claim 1,
The relative ratio (%) to the peak value of the light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field is A at the center of the field in the display area for each pixel field, and から of the entire width of the display area for the pixel field from the field center. When the relative ratios at positions separated by 2/5, 4/5 are B, C, and D, respectively, the above A to D
A ≧ 65, B ≧ 60, C ≧ 30, D ≦ 18
An image display device characterized by satisfying the following.

The image display device according to claim 1,
The relative ratio (%) to the peak value of the light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field is A at the center of the field in the display area for each pixel field, and から of the entire width of the display area for the pixel field from the field center. When the relative ratios at positions separated by 2/5, 4/5 are B, C, and D, respectively, the above A to D
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 41.2, D ≦ 18
An image display device characterized by satisfying the following.

The image display device according to claim 1,
The relative ratio (%) to the peak value of the light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field is A at the center of the field in the display area for each pixel field, and から of the entire width of the display area for the pixel field from the field center. When the relative ratios at positions separated by 2/5, 4/5 are B, C, and D, respectively,
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 30, D ≦ 12
An image display device characterized by satisfying the following.

The image display device according to claim 1,
The relative ratio (%) to the peak value of the light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field is A at the center of the field in the display area for each pixel field, and から of the entire width of the display area for the pixel field from the field center. When the relative ratios at positions separated by 2/5, 4/5 are B, C, and D, respectively, the above A to D
A ≧ 30, B ≧ 80, C ≧ 30, D ≦ 18
An image display device characterized by satisfying the following.

The image display device according to claim 1,
The relative ratio (%) to the peak value of the light intensity distribution of the pixel image displayed in each pixel field is A at the center of the field in the display area for each pixel field, and から of the entire width of the display area for the pixel field from the field center. When the relative ratios at positions separated by 2/5, 4/5 are B, C, and D, respectively, the above A to D
A ≧ 30, B ≧ 60, C ≧ 65, D ≦ 18
An image display device characterized by satisfying the following.

The image display device according to any one of claims 1 to 6,
An image display, wherein the light intensity distribution setting means for individually converging the light flux from the illumination light source toward each pixel is a microlens array arranged in correspondence with the pixel arrangement of the spatial light modulator. apparatus.

The image display device according to any one of claims 1 to 6,
The image display, wherein the light intensity distribution setting means for individually converging the light flux from the illumination light source toward each pixel is a micromirror array arranged corresponding to the pixel arrangement of the spatial light modulator. apparatus.

The image display device according to claim 7, wherein
The light flux modulated by each pixel is condensed smaller than the pixel by the action of the light intensity distribution setting means, and the projection imaging optical system sets the condensing position or its vicinity as an object plane on the display surface. An image display device, wherein an image is formed on the image.