JP2006308641A - 画像表示装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 リレーレンズの製造誤差等から生じるモアレの発生を防止する画像表示装置及びプロジェクタを提供する。
【解決手段】 本発明は、光源からの光を変調する第１光変調手段６０と、第１光変調手段６０からの光を入射しかつ光を変調する第２光変調手段１００と、第１光変調手段６０と第２光変調手段１００との間の光路上に設けられ、第１光変調手段６０の光学像を第２光変調手段１００の受光面に結像する結像光学手段９０とを備え、結像光学手段が複数のレンズ群７０，７２，７４を有し、複数のレンズ群７０，７２，７４のうち少なくとも１つのレンズ群が光軸上を移動可能とされ、結像光学手段９０の結像倍率が可変であることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、画像表示装置及びプロジェクタに関する。特に表示輝度のダイナミックレンジの拡大と高階調化を実現するのに適した光学構成に関する。

近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ（Electro-luminescence）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の電子ディスプレイ装置における画質改善は目覚しく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能を有する装置が実現されつつある。しかし、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は１〜１０^２［nit］程度の範囲であり、また階調数は８ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジの範囲が１０^−２〜１０^４［nit］程度あり、また輝度弁別能力は０．２［nit］でこれを階調数に換算すると１２ビット相当といわれている。このような視覚特性を経由して現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため、表示画像のリアリティや迫力に対して物足りなさを感じることになる。

また、映画やゲーム等で使用されるＣＧ（Computer Graphics）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を表示データ（以下、ＨＤＲ（High Dynamic Range）表示データという。）に持たせて描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。しかしそれを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているために、ＣＧコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。

さらに、次期ＯＳ（Operating System）においては、１６ビット色空間の採用が予定されており、現在の８ビット色空間と比較してダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大する。そのため、１６ビット色空間を生かすことができる高ダイナミックレンジ・高階調の電子ディスプレイ装置実現への要求が高まると予想される。

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

高ダイナミックレンジのディスプレイ装置としては、例えば、特許文献１に開示されている技術があり、光源と、光の全波長領域の輝度を変調する第２光変調素子と、光の波長領域のうちＲＧＢ３原色の各波長領域についてその波長領域の輝度を変調する第１光変調素子とを備え、光源からの光を第１光変調素子で変調して所望の輝度分布を形成し、その光学像を第２光変調素子の表示面に結像して色変調し、２次変調した光を投写するというものである。第２光変調素子及び第１光変調素子の各画素は、ＨＤＲ表示データから決定される第１制御値及び第２制御値に基づいてそれぞれ別個に制御される。光変調素子としては、透過率が独立に制御可能な画素構造又はセグメント構造を有し、二次元的な透過率分布を制御し得る透過型変調素子が用いられる。その代表例としては、液晶ライトバルブがあげられる。また、透過型変調素子の代わりに反射型変調素子を用いてもよく、その代表例としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子があげられる。

いま、暗表示の透過率が０．２％、明表示の透過率が６０％の光変調素子を使用する場合を考える。光変調素子単体では、輝度ダイナミックレンジは、６０／０．２＝３００となる。上記ディスプレイ装置は、輝度ダイナミックレンジが３００の光変調素子を光学的に直列に配置することに相当するので、３００×３００＝９００００の輝度ダイナミックレンジを実現することができる。また、階調数についてもこれと同等の考えが成り立ち、８ビット階調の光変調素子を光学的に直列に配置することにより、８ビットを超える階調数を得ることができる。
特表２００４−５２３００１号公報

ところで、第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の画素面に結像する手段としてリレーレンズが用いられる。第１光変調素子および第２光変調素子として液晶ライトバルブを用いた場合、このリレーレンズは液晶ライトバルブの視角特性を考慮して両側テレセントリック特性を有することが望ましい。このテレセントリック結像レンズの結像倍率は、物体距離及び像距離を変更しても常に一定に保持され、使用する個々のレンズの焦点距離の組み合わせによって決定されるという特性を有する。このため、上述したリレーレンズの結像倍率は、製造工程における製造誤差、組み立て誤差、その他の誤差原因の影響を受けやすく、所望の結像倍率を得られない場合があった。
一方、透過型液晶ライトバルブは、格子状の光遮光部を有するため、第２の透過型液晶ライトバルブに結像される第１の透過型液晶ライトバルブの光学像は、格子状の暗部を有する。このような照度分布の光束で、同様に格子状の光遮光部を有する第２の透過型液晶ライトバルブを照明すると、わずかなアライメントのズレ又は結像倍率誤差によりモアレが発生し、表示画質が劣化するという課題がある。
従って、上述したような製造工程において製造誤差が発生したリレーレンズを投写型示装置に用いた場合、第１の透過型液晶ライトバルブを透過した光学像がリレーレンズを透過すると、リレーレンズの製造誤差により第２の透過型液晶ライトバルブに結像する光学像が所望の結像倍率と異なった倍率となる。これにより、リレーレンズの倍率にわずかでも誤差が生じるとモアレが発生し、表示画質が劣化するという問題が発生した。リレーレンズの加工精度を向上させることも当然考えられるが、加工精度の観点から製造誤差を０％とすることは困難である。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、リレーレンズの製造誤差等から生じるモアレの発生を防止する画像表示装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、光源と、前記光源から出射される光を変調する第１光変調手段と、前記第１光変調手段からの光を入射しかつ光を変調する第２光変調手段と、前記第１光変調手段と前記第２光変調手段との間の光路上に設けられ、前記第１光変調手段の光学像を前記第２光変調手段の受光面に結像する結像光学手段とを備え、前記結像光学手段が複数のレンズ群を有し、前記複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群が前記光軸上を移動可能とされ、前記結像光学手段の結像倍率が可変であることを特徴とする。

この構成によれば、結像光学手段を構成する複数のレンズ群のうち少なくとも１群のレンズが移動可能とされる。これにより、各レンズ群間の合成焦点距離が変動され、それにともなって結像光学手段の結像倍率が変更される。従って、結像光学手段の製造の際に、製造誤差，組み立て誤差が発生したとしても、所望の結像倍率に結像光学手段を可変可能であるため、モアレの発生を少なして高精細な画質を実現することができる。なお、レンズ群は単体のレンズから構成されていても良い。

また本発明の画像表示装置は、前記複数のレンズ群が、第１群レンズと第３群レンズと、前記第１群レンズと前記第３群レンズとの間に配置された第２群レンズとを有し、
前記第１群レンズ、前記第２群レンズ及び前記第３群レンズの少なくとも１以上が前記光軸上を移動可能とされたことも好ましい。

この構成によれば、結像光学手段の第１レンズ群、第２レンズ群又は第３レンズ群の各々が独立して移動可能とされる。これにより、各レンズ群が移動することにより、各レンズ群間の合成焦点距離が変動され、それにともなって結像光学手段の結像倍率が変更される。従って、結像光学手段の製造の際に、製造誤差，組み立て誤差が発生したとしても、所望の結像倍率に結像光学手段を可変可能であるため、モアレの発生を少なして高精細な画質を実現することができる。

また本発明の画像表示装置は、前記結像光学手段の結像倍率がＭ、倍率可変範囲がＭｍｉｎ〜Ｍｍａｘ（但し、Ｍｍｉｎ＜Ｍｍａｘ）としたときに、Ｍｍｉｎ＜Ｍ＜Ｍｍａｘとなるように前記結像光学手段の結像倍率が設定されていることも好ましい。

この構成によれば、結像倍率誤差の範囲が正負のいずれにふれても、結像光学手段の結像倍率ＭをＭｍｉｎ＜Ｍ＜Ｍｍａｘに設定することにより、結像倍率誤差を吸収することが可能となる。ここで、結像倍率Ｍは、設計段階において設定した結像光学手段の結像倍率である。また、「倍率可変範囲」とは、リレーレンズの結像倍率の可変範囲であり、本来所望の結像倍率Ｍを中心として設定される。この「倍率可変範囲」は、レンズ群の移動量に対応して可変する。さらに、「Ｍｍｉｎ」は、本来所望の結像倍率Ｍよりも小さい結像倍率を意味し、「Ｍｍａｘ」は本来所望の結像倍率Ｍよりも大きい結像倍率を意味する。

また本発明の画像表示装置は、前記結像光学手段の結像倍率がＭにおける結像倍率の製造誤差範囲を±Ｔ％としたときに、Ｍｍｉｎ≦（１／（１＋Ｔ／１００））Ｍであり、Ｍｍａｘ≧（１／（１−Ｔ／１００））Ｍとなるように前記結像光学手段の結像倍率が設定されていることも好ましい。

この構成によれば、製造誤差範囲に基づいて結像倍率を設定することにより、無闇に可変倍率範囲を広くすることなく結像倍率の製造誤差範囲をカバーすることができる。従って、結像光学手段の製造コストを抑えることが可能となる。

また本発明の画像表示装置は、前記結像光学手段の結像倍率がＭ、倍率可変範囲がＭｍｉｎ〜Ｍｍａｘ（但し、Ｍｍｉｎ＜Ｍｍａｘ）としたときに、Ｍｍｉｎ≦０．９０Ｍであり、Ｍｍａｘ≧１．１１Ｍとなるように前記結像光学手段の結像倍率が設定されていることも好ましい。

この構成によれば、予め結像光学手段の製造誤差を予測して結像光学手段の結像倍率を設定することにより、一般的な結像光学手段を構成するレンズ群の製造誤差範囲をカバーすることができる。ここで、結像光学手段の結像倍率は、結像光学手段の製造誤差が約１０％である場合を想定したものである。

また本発明の画像表示装置は、前記第１光変調手段を固定し、前記結像光学手段の複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群の移動に伴って、前記第２光変調手段が前記光路上を移動可能であることも好ましい。

結像光学手段を移動させることにより結像倍率を可変させた場合、第１光変調手段と第２光変調手段との距離（物−像）、ワーキングディスタンス（結像光学手段の最も第１光変調手段側のレンズ面と第１光変調手段との距離）、バックフォーカス（結像光学手段の最も第２光変調手段側のレンズ面から第２光変調手段までの距離）等の変化が生じる。これに対応して結像光学手段とともに第１光変調手段を移動させると、これに伴って照明光学系も移動させる必要がある。そのため、結像光学手段の結像倍率の修正には、照明光学系も含めた大規模な移動機構の構築が必要となってしまう。そこで本発明では、第１光変調手段を固定させて、結像光学手段の複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群の移動に伴って第１光変調手段と結像光学手段との距離、第２光変調手段と結像光学手段との距離とを互いに独立に移動させて調整する。これにより、簡素な構成で装置全体の複雑化を最小限に抑えるながらリレーレンズの倍率変更が可能となり、装置全体低コスト化を図ることが可能となる。

また本発明の画像表示装置は、前記第１群レンズと前記第２群レンズの距離を縮めるとともに、前記第２群レンズと前記第３群レンズとの距離を長くし、かつ、前記第１光変調手段と第１群レンズとの距離を縮めるとともに、前記第３群レンズ群と前記第２光変調手段との距離を長くすることにより、前記結像光学手段の結像倍率を大きくすることも好ましい。
また本発明の画像表示装置は、前記第１群レンズと前記第２群レンズの距離を長くするとともに、前記第２群レンズと前記第３群レンズとの距離を縮め、かつ、前記第１光変調手段と第１群レンズとの距離を長くするとともに、前記第３群レンズ群と前記第２光変調手段との距離を縮めることにより、前記結像光学手段の結像倍率を小さくすることも好ましい。

この構成によれば、結像光学手段の第１群レンズ、第２群レンズ又は第３群レンズの各々が独立して移動可能とされる。これにより、各レンズ群が移動することにより、各レンズ群間の焦点距離が変動され、結像光学手段の結像倍率が変更される。従って、結像光学手段の製造の際に、製造誤差，組み立て誤差が発生したとしても、所望の結像倍率に結像光学手段を可変することができモアレの発生を少なくすることができる。

本発明のプロジェクタは、上記画像表示装置と、この画像表示装置から射出された光を投射する投射手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係るプロジェクタでは、画像表示装置により射出された画像が、投射手段によって投影される。従って、本発明の画像表示装置を用いることにより、モアレの発生を少なして高精細な画質を実現することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。
なお、本実施の形態では、第１光変調手段としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色光毎に透過型液晶ライトバルブを備え、第２光変調手段として１枚の透過型液晶ライトバルブを用いた投写型液晶表示装置の例を挙げて説明する。また、以下の説明においては、第１光変調手段を色変調用液晶ライトバルブ、第２光変調手段を輝度変調用液晶ライトバルブと称する。さらに、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、プロジェクタＰＪ１（投写型表示装置）の主たる光学構成を示す図である。
プロジェクタＰＪ１は、光源１０と、光源１０から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明系２０と、均一照明系２０から入射した光の波長領域のうちのＲＧＢ３原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部２５（第１変調素子として青色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｂ，緑色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｇ，赤色光用透過型液晶ライトバルブ６０Ｒの３つの透過型液晶ライトバルブを含む）と、色変調部２５から入射した光をリレーするリレーレンズ９０（結像光学手段）と、リレーレンズ９０から入射した光の全波長領域の輝度を変調する第２光変調手段としての透過型液晶ライトバルブ１００と、液晶ライトバルブ１００から入射した光をスクリーン１２０に投写する投写レンズ１１０とを備えて構成されている。
また、光源１０は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなるランプ１１と、ランプ１１からの射出光を反射・集光するリフレクタ１２とを備えている。

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

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

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

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

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

液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、画素電極及びこれを駆動するための薄膜トランジスタ素子や薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にＴＮ型液晶を挟み込むとともに、外面に偏光板を配置したアクティブマトリクス型の液晶表示素子である。

また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、電圧非印加状態で白／明（透過）状態、電圧印加状態で黒／暗（非透過）状態となるノーマリーホワイトモード又はその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、与えられた制御値に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。液晶ライトバルブ６０Ｂは、入射されたＢ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｇは、入射されたＧ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｒは、入射されたＲ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。

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

リレーレンズ９０は、クロスダイクロイックプリズム８０で合成された液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの光学像（光強度分布）を輝度変調用液晶ライトバルブ１００（第２光変調手段）の画素面（受光面）に結像するものであり、その詳細は後述する。
リレーレンズ９０を出射した光束は、輝度変調用液晶ライトバルブ１００に入射し、第２の変調を受ける。輝度変調用液晶ライトバルブ１００は、上述した色変調用液晶ライトバルブ６０と同等のもので、入射した光の全波長領域の輝度を変調して出射する。輝度変調用液晶ライトバルブ１００を出射した光束は、投写レンズ１１０に入射し、投写レンズ１１０によってスクリーン１２０に投影される。なお、本実施形態においては、投射レンズ１１０及びスクリーン１２０を除いた構成を画像表示装置と定義している。

ここで、従来のプロジェクタのリレーレンズについて図４を参照して説明する。
図４は、リレーレンズ１３０の概略構成を示す断面図である。なお、図４は説明を簡素にするために、色変調用液晶ライトバルブ６０とリレーレンズ１３０との間にあるクロスダイクロイックプリズムを省略して描いてあり、かつＲ，Ｇ，Ｂそれぞれの色変調用液晶ライトバルブ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂを１枚の色変調用液晶ライトバルブ６０で代表して描いてあるが、光学的には図１の実際の構成と等価なものである。

リレーレンズ１３０は、色変調用液晶ライトバルブ６０の光学像を輝度変調用液晶ライトバルブ１００の画素面に結像するものであって、液晶ライトバルブの視角特性を考慮して両側テレセントリック特性を有することが望ましい。
この種の特性を有するリレーレンズ１３０は、図４に示すように、色変調用液晶ライトバルブ６０側から順に、前段レンズ群１３１、開口絞り１３２、後段レンズ群１３３が光軸上に配置された光学系となっている。また、前段レンズ群１３１の焦点位置と開口絞り１３２の位置と後段レンズ群１３３の物体側焦点位置とを一致させている。さらに、前段レンズ群１３１の物体側焦点位置に色変調用液晶ライトバルブ６０を配置し、かつ、後段レンズ群１３３の像側焦点位置に輝度変調用液晶ライトバルブ１００の画素面を配置することにより構成されている。

前段レンズ群１３１及び後段レンズ群１３３は、複数の凸レンズ及び凹レンズを含んで構成されている。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔及び枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図４の例に限定されるものではない。

ところで、このようなテレセントリック結像レンズの結像倍率は、物体距離（色変調用液晶ライトバルブとレンズ（第１群レンズ）との距離）及び像距離（レンズ（第３群レンズ）と輝度変調用液晶ライトバルブとの距離）を変更しても常に一定に保持され、使用する個々のレンズの焦点距離の組み合わせのみによって決定される。このため、レンズの製造誤差、組み立て誤差、その他の原因によって所望の結像倍率と異なった倍率になった場合には、レンズの結像倍率を修正することは困難である。この場合、レンズの製造工程の際の製造誤差により発生した結像倍率誤差により以下のような問題が発生する。

図２は、液晶ライトバルブの画素構造とプロジェクタにおけるモアレの発生原因を概念的に示した説明図である。図２（ａ）は液晶ライトバルブの単位画素の概略図であり、（ｂ）は上記色変調用液晶ライトバルブ６０の光学像の概略図である。
図２（ａ）に示すように、液晶ライトバルブの各画素６２は、開口部３８と開口部３８を区画する遮光部３４とからなり、遮光部３４は例えば画素配線、ＴＦＴ、ブラックストライプにより形成される。本実施形態では、このような単位画素６２の繰り返して構成される色変調用液晶ライトバルブ６０の表示面をリレーレンズ９０を介して輝度変調用液晶ライトバルブ１００に結像する。輝度変調用液晶ライトバルブ１００に結像される色変調用液晶ライトバルブ６０の光学像は、図２（ｂ）のように、格子状の暗部４０と窓状の明部４４の繰り返し周期構造を有する。一方、輝度変調用液晶ライトバルブ１００の画素面も図２（ａ）に示す単位画素６２の繰り返しで構成されている。従って、この画素面に図２（ｂ）に示す格子状の明暗が結像される際、リレーレンズ９０にわずかでも結像倍率誤差があると、モアレが発生し表示画像の画質が著しく低下する。

結像倍率誤差の一例について説明すると、色変調用液晶ライトバルブ６０と輝度変調用液晶ライトバルブ１００とを同一の液晶ライトバルブで構成した場合、リレーレンズの結像倍率Ｍは１．０に設定される。しかし、上述したように、レンズの製造工程の際の製造誤差により結像倍率が０．１％程度変化しても、顕著なモアレが発生し表示画像の画質が低下する。翻って、図４に示すようなテレセントリックレンズにおいて結像倍率の製造誤差は一般的に５％程度である。従って、このような設計段階の値と異なる結像倍率を有するリレーレンズを使用している限り、モアレの発生は避けられない。

本実施形態のプロジェクタではこの問題を解決するために、可変倍率機能を有するリレーレンズ９０（結像光学手段）が用いられる。以下、本実施形態のリレーレンズ９０の一例について説明する。

図３は、本実施形態のリレーレンズ９０の概略構成を示した模式図である。
リレーレンズ９０は、それぞれ正の焦点距離を有する第１群レンズ７０、第２群レンズ７２及び第３群レンズ７４の３群のレンズ群から構成される。このリレーレンズ９０は、第１群レンズ７０の後側焦点位置と第３群レンズ７４の前側焦点位置とをほぼ合致させて、レンズ全体のテレセントリック性を確保している。このとき、第２群レンズ７２は、第１群レンズ７０と第３群レンズ７４との焦点合致位置の光軸上に配置される。また、第１群レンズ７０の図３中左側の光軸上には、色変調用液晶ライトバルブ６０が配置され、第３群レンズ７４の図３中右側の光軸上には輝度変調用液晶ライトバルブ１００が配置される。言い換えれば、色変調用液晶ライトバルブ６０側の主光線が光軸と平行となるように色変調用液晶ライトバルブと第１群レンズ７０及び第２群レンズ７２とが配置されるとともに、輝度変調用液晶ライトバルブ１００側の主光線が光軸と平行となるように輝度変調用液晶ライトバルブ１００と第２群レンズ７２及び第３群レンズ７４とが配置される。これにより、リレーレンズ９０のテレセントリック性が確保される。

また、第１群レンズ７０、第２群レンズ７２及び第３群レンズ７４は、複数の凸レンズ及び凹レンズが組み合わされて構成されている。なお、レンズの形状、大きさ、配置間隔及び枚数、テレセントリック性、倍率の可変量その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図３の例に限定されるものではない。

本実施形態のリレーレンズ９０を構成する第１群レンズ７０、第２群レンズ７２及び第３群レンズ７４は、互いが独立して光軸方向ｄ１，ｄ２に移動可能となっている。さらに、本実施形態では、輝度変調用液晶ライトバルブ１００が、上記レンズ群の移動に伴って光軸方向ｄ１，ｄ２に移動可能となっている。上記レンズ群７０，７２，７４及び輝度変調用液晶ライトバルブ１００を移動させる手段としては、種々の移動手段を採用することが可能である。なお、図３において、図中左側方向を光軸方向ｄ１とし、図中右側方向を光軸方向ｄ２とする。

次に、リレーレンズ９０の結像倍率Ｍを可変する動作について説明する。
まず、リレーレンズ９０の結像倍率Ｍが製造誤差により小さくなった場合について説明する。この場合、第２群レンズ７２は、第１群レンズ７０の後側焦点位置よりも光軸方向ｄ２にずれたことに等しいため、結像倍率Ｍが小さくなるとともに、レンズ群のテレセントリック性が確保されていない。従って、リレーレンズ９０の結像倍率Ｍを大きくし、かつ、テレセントリック性を確保するためには、第１群レンズ７０と第２群レンズ７２との距離を縮める。その際、第２群レンズ７２を移動すると第２群レンズ７２と第３群レンズ７４との合成焦点距離が変動するので、その変動量に応じてテレセントリック性を維持するため、第２群レンズ７２と第３群レンズ７４との距離を相対的に長くする。さらに、物−像距離、ワーキングディスタンス、バックフォーカス等を維持するため、色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離を縮めるとともに、第３群レンズ群と輝度変調用液晶ライトバルブ１００との距離を相対的に長くする。ここで、色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離を移動させるために色変調用液晶ライトバルブ６０を移動させると、色変調用液晶ライトバルブ６０の光源１０側に配置される照明光学系も移動させる必要がある。そのため、照明光学系も含めた移動機構の構築は大規模なものとなってしまう。そこで、本実施形態では、色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離を伸縮移動させる場合には、色変調用液晶ライトバルブ６０（照明光学系を含む）を固定し、第１群レンズ７０、第２群レンズ７２及び第３群レンズ７４（以下、これらをレンズ群７６と称する。）と輝度変調用液晶ライトバルブ１００とを伸縮移動させて、色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離の伸縮を図る。従って、色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離を縮める場合には、レンズ群７６及び輝度変調用液晶ライトバルブ１００を移動機構により光軸方向ｄ１に移動させる。

次に、リレーレンズ９０の結像倍率Ｍが製造誤差により大きくなった場合について説明する。この場合、第２群レンズ７２は、第１群レンズ７０の後側焦点位置よりも光軸方向ｄ１にずれたことに等しいため、結像倍率Ｍが大きくなるとともに、レンズ群のテレセントリック性が確保されていない。従って、リレーレンズ９０の結像倍率Ｍを小さくし、かつ、テレセントリック性を確保するためには、第１群レンズ７０と第２群レンズ７２の距離を長くする。その際、第２群レンズ７２を移動すると第１及び第２群レンズ７２の合成焦点距離が変動するので、その変動量に応じてテレセントリック性を維持するために第２群レンズ７２と第３群レンズ７４との距離を相対的に縮める。さらに、色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離を長くするとともに、第３群レンズ群と輝度変調用液晶ライトバルブ１００との距離を縮める。このとき、色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離を長くする際には、色変調用液晶ライトバルブ６０（照明光学系を含む）を固定し、レンズ群７６及び輝度変調用液晶ライトバルブ１００を移動機構により光軸方向ｄ２に移動させる。

本発明のプロジェクタにおいてリレーレンズ９０の結像倍率を可変とする主目的は、リレーレンズ９０に製造誤差が生じても本来所望とする結像倍率を確保してモアレの発生を無くすことにある。従って、倍率可変範囲を目的を達成するための最小範囲に限定することで、レンズの設計難度の増加や変倍機構の複雑さ等を最小限に抑えてリレーレンズ９０のコストを抑制することが可能となる。ここで、「倍率可変範囲」とは、リレーレンズ９０の結像倍率の可変範囲であり、本来所望の結像倍率Ｍを中心として設定される。この「倍率可変範囲」は、レンズ群及び液晶ライトバルブの移動量に対応して可変する。

リレーレンズ９０の倍率可変範囲は、本来所望の結像倍率をＭ、倍率可変範囲をＭｍｉｎ〜Ｍｍａｘ（但し、Ｍｍｉｎ＜Ｍｍａｘ）としたときに、Ｍｍｉｎ＜Ｍ＜Ｍｍａｘを満足するものとする。ここで、「Ｍｍｉｎ」は、本来所望の結像倍率Ｍよりも小さい結像倍率を意味し、「Ｍｍａｘ」は本来所望の結像倍率Ｍよりも大きい結像倍率を意味する。このように本来所望の結像倍率Ｍを上記範囲に設定することで、製造誤差による結像倍率の誤差が結像倍率Ｍの正負のいずれにふれても本来所望の結像倍率Ｍを確保することができる。

また、レンズ群の間隔等を本来所望の結像倍率Ｍを得るための条件に設定した場合における結像倍率の製造誤差範囲を±Ｔ％とした場合、Ｍｍｉｎ≦（１／（１＋Ｔ／１００））Ｍであり、Ｍｍａｘ≧（１／（１−Ｔ／１００））Ｍの条件を満足するものとする。これにより、製造誤差範囲から実際の結像倍率を算出することができる。従って、レンズの結像倍率の倍率可変範囲を最小とすることができ、リレーレンズ９０のコストを抑制することが可能となる。ここで、「製造誤差範囲」とは、各レンズの製造の際に生じる誤差であり、例えば個々のレンズ面の研磨段階で生じる曲率半径の誤差や各レンズ群の組立て時に生じるレンズ間距離の誤差等が挙げられる。これらは各レンズ群の焦点距離の誤差となり、ひいてはリレーレンズ９０全体の倍率の誤差につながる。

また、上述したＭｍｉｎ及びＭｍａｘの範囲は、一般的なレンズの製造誤差を考慮し、Ｍｍｉｎ≦０．９０ＭでありＭｍａｘ≧１．１１Ｍであり、望ましくはＭｍｉｎ≦０．９５ＭでありＭｍａｘ≧１．０５３Ｍを満足するものとする。前者のリレーレンズ９０の結像倍率の条件は、リレーレンズ９０の製造誤差が約１０％である場合を想定したものである。この想定誤差は一般的なレンズの製造誤差を十分にカバーするものであり、これにより製造歩留りを向上させることが可能となる。また、後者のリレーレンズ９０の結像倍率の条件は、一般的なレンズの製造誤差（約５％）とほぼ一致するものであり、前者の条件に比べて、倍率可変範囲を小さくすることができ、リレーレンズ９０のコストを抑制することができる。

本実施形態によれば、リレーレンズ９０の第１群レンズ７０、第２群レンズ７２又は第３群レンズ７４の各々が独立して光軸に沿って可変可能とされる。これにより、各レンズ群７０，７２，７４間の焦点距離が変動され、リレーレンズ９０の結像倍率が可変される。従って、リレーレンズ９０の製造の際に、製造誤差，組み立て誤差が発生したとしても、所望の結像倍率にリレーレンズ９０を可変することができモアレの発生を少なくすることができる。
上述したように、リレーレンズ９０の各レンズ群７０，７２，７４を移動させることによって結像倍率を可変させた場合、色変調用液晶ライトバルブ６０と輝度変調用液晶ライトバルブ１００との距離（物−像）、ワーキングディスタンス（レンズ群７０のレンズの先端と色変調用液晶ライトバルブ６０との距離）、バックフォーカス（レンズ群７４のレンズの最後部から輝度変調液晶ライトバルブ１００までの距離）等の変化が生じる。これに対し、本実施形態によれば、各レンズ群７０，７２，７４の移動に伴って色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離、輝度変調用液晶ライトバルブ１００と第３群レンズ７４との距離とを互いに独立に移動させて調整する。これにより、簡素な構成でリレーレンズ９０の結像倍率の変更が可能となり、プロジェクタＰＪ１全体の複雑化を最小限に抑えることができる。

本実施形態によれば、リレーレンズ９０の第１群レンズ７０、第２群レンズ７２又は第３群レンズ７４の各々が独立して光軸に沿って可変可能とされる。これにより、各レンズ群７０，７２，７４間の焦点距離が変動され、リレーレンズ９０の結像倍率が可変される。従って、リレーレンズ９０の製造の際に、製造誤差，組み立て誤差が発生したとしても、所望の結像倍率にリレーレンズ９０を可変することができモアレの発生を少なくすることができる。
上述したように、リレーレンズ９０の各レンズ群７０，７２，７４を移動させることによって結像倍率を可変させた場合、色変調用液晶ライトバルブ６０と輝度変調用液晶ライトバルブ１００との距離（物−像）、ワーキングディスタンス（各レンズ群７０，７２，７４のレンズの先端と色変調用液晶ライトバルブ６０又は輝度変調液晶ライトバルブとの距離）、バックフォーカス（各レンズ群７０，７２，７４のレンズの最後部から各焦点位置までの距離）等の変化が生じる。これに対し、本実施形態によれば、各レンズ群７０，７２，７４の移動に伴って色変調用液晶ライトバルブ６０と第１群レンズ７０との距離、輝度変調用液晶ライトバルブ１００と第３群レンズ７４との距離とを互いに独立に移動させて調整する。これにより、簡素な構成でリレーレンズ９０の結像倍率の変更が可能となり、プロジェクタＰＪ１全体の複雑化を最小限に抑えることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上記実施形態では、リレーレンズ９０が３群のレンズ群７０，７２，７４から構成された場合について説明したが、これに限定されることはない。リレーレンズ９０が２群のレンズから構成されていても良いし、３群以上の４群、５群…のレンズ群から構成されていても良い。つまり、リレーレンズ９０のテレセントリック性が確保されていれば良い。
また、上記実施形態では、光源側に色変調用液晶ライトバルブ６０を配置し、出射側（スクリーン側）に輝度変調用液晶ライトバルブ１００を配置した。これに対し、光源側に輝度変調用液晶ライトバルブ１００を配置し、出射側に色変調用液晶ライトバルブ６０を配置することも可能である。このような構成とした場合、リレーレンズ９０は、輝度変調用液晶ライトバルブ１００と色変調用液晶ライトバルブ６０との間の光軸上に配置する。

プロジェクタの概略構成を示す平面図である。 （ａ）は液晶ライトバルブの単位画素の概略図であり、（ｂ）は色変調用液晶ライトバルブの光学像の概略図である。 プロジェクタのリレーレンズの概略構成を示す平面図である。 従来のプロジェクタのリレーレンズの概略構成を示す平面図である。

符号の説明

６０…色変調用液晶ライトバルブ（第１光変調手段）、 ７０…第１群レンズ、 ７２…第２群レンズ、 ７４…第３群レンズ、 ７６…レンズ群、 ９０…リレーレンズ（結像光学手段）、 １００…輝度変調用液晶ライトバルブ（第２光変調手段）、 ＰＪ１…プロジェクタ

Claims (9)

1. 光源と、前記光源から出射される光を変調する第１光変調手段と、前記第１光変調手段からの光を入射しかつ光を変調する第２光変調手段と、前記第１光変調手段と前記第２光変調手段との間の光路上に設けられ、前記第１光変調手段の光学像を前記第２光変調手段の受光面に結像する結像光学手段とを備え、
   前記結像光学手段が複数のレンズ群を有し、
   前記複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群が前記光軸上を移動可能とされ、前記結像光学手段の結像倍率が可変であることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記複数のレンズ群が、第１群レンズと第３群レンズと、前記第１群レンズと前記第３群レンズとの間に配置された第２群レンズとを有し、
   前記第１群レンズ、前記第２群レンズ及び前記第３群レンズの少なくとも１以上が前記光軸上を移動可能とされたことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記結像光学手段の結像倍率がＭ、倍率可変範囲がＭｍｉｎ〜Ｍｍａｘ（但し、Ｍｍｉｎ＜Ｍｍａｘ）としたときに、
   Ｍｍｉｎ＜Ｍ＜Ｍｍａｘとなるように前記結像光学手段の結像倍率が設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記結像光学手段の結像倍率がＭにおける結像倍率の製造誤差範囲を±Ｔ％としたときに、
   Ｍｍｉｎ≦（１／（１＋Ｔ／１００））Ｍであり、Ｍｍａｘ≧（１／（１−Ｔ／１００））Ｍとなるように前記結像光学手段の結像倍率が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記結像光学手段の結像倍率がＭ、倍率可変範囲がＭｍｉｎ〜Ｍｍａｘ（但し、Ｍｍｉｎ＜Ｍｍａｘ）としたときに、
   Ｍｍｉｎ≦０．９０Ｍであり、Ｍｍａｘ≧１．１１Ｍとなるように前記結像光学手段の結像倍率が設定されていること特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記第１光変調手段を固定し、前記結像光学手段の複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群の移動に伴って、前記第２光変調手段が前記光路上を移動可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記第１群レンズと前記第２群レンズとの距離を縮めるとともに、前記第２群レンズと前記第３群レンズとの距離を長くし、かつ、前記第１光変調手段と第１群レンズとの距離を縮めるとともに、前記第３群レンズ群と前記第２光変調手段との距離を長くすることにより、前記結像光学手段の結像倍率を大きくすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記第１群レンズと前記第２群レンズとの距離を長くするとともに、前記第２群レンズと前記第３群レンズとの距離を縮め、かつ、前記第１光変調手段と第１群レンズとの距離を長くするとともに、前記第３群レンズ群と前記第２光変調手段との距離を縮めることにより、前記結像光学手段の結像倍率を小さくすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の画像表示装置と、
   前記画像表示装置から射出された光を投射する投射手段とを備えることを特徴とするプロジェクタ。

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