JP2008242208A - 画像表示装置およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】第１、第２光変調素子間でのモアレによる表示画質の低下を抑制でき、装置の信頼性を確保できる画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の画像表示装置は、光源２と、第１光変調素子（輝度変調用ライトバルブ３４）と、第２光変調素子（色変調用ライトバルブ３２）と、第１光変調素子の光学像を第２光変調素子に伝達するリレー光学系と、を備え、リレー光学系が、入射側と反対側に第１光変調素子による光学像の像を形成する透過型像形成素子（マイクロミラーアレイ２５）を有し、光源から射出され透過型像形成素子の第１の面で反射した第１の光、光源から射出され透過型像形成素子の反射面で反射せずに貫通孔を通過した第２の光の少なくともいずれか一方の光を透過型像形成素子に向けて反射させる再帰反射素子（コーナーキューブアレイ４５，４６）が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置およびプロジェクタに関し、特に第１光変調素子、第２光変調素子の２段の光変調素子を備えた画像表示装置に関するものである。

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ましく、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。しかしながら、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、視聴者は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。ところが、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、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の実現への要求が高まると予想される。

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

プロジェクタにおける輝度ダイナミックレンジ拡大のための基本的な構成は、光源からの射出光束を第１光変調素子で変調して所望の照明光量分布を形成し、この照明光量分布を第２光変調素子上に伝達し、第２光変調素子によってさらに変調を加えた上で照明するというものである。光変調素子としては、光伝搬特性が独立に制御可能な画素構造や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光変調素子が用いられている。その代表的な例としては、液晶ライトバルブがあげられる。中でも、第１光変調素子と第２光変調素子との間の光路上にリレーレンズを配置し、リレーレンズによって第１光変調素子の光学像を第２光変調素子の入射面に伝達する構成が、下記の特許文献１に開示されている。また、透過型光変調素子に代えて、反射型光変調素子を用いてもよく、その代表例としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子が挙げられる。

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。従来の投射型表示装置はこの光変調素子を単体で使用する構成であり、輝度ダイナミックレンジは６０／０．２＝３００となる。これに対して、上記のディスプレイ装置は、各々が３００の輝度ダイナミックレンジを有する２段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ため、理論上は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って８ビットを超える階調数を得ることができる。なお、第１光変調素子および第２光変調素子は、映像信号から作られた第１変調信号、第２変調信号によってそれぞれ別個に駆動される。
特開２００５−２５０４４０号公報

特許文献１記載の表示装置においては、リレーレンズを用いて第１光変調素子の光学像を第２光変調素子に伝達しているが、リレーレンズの光学収差や製造誤差等に起因して第１光変調素子の光学像に結像倍率のずれや歪みが生じたり、光学像と第２光変調素子とのアライメントにずれが生じたりする。その結果、第１光変調素子と第２光変調素子の画素の格子構造同士が干渉してモアレが発生し、表示画質が著しく低下する、という課題があった。また逆に、モアレの発生を抑えるためには高精度のリレーレンズやアライメント機構を使用しなければならず、装置のコストが高騰する、という課題もあった。

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、第１、第２光変調素子間でのモアレによる表示画質の低下を抑制することができ、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現できる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明者は、「光源と、光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、第１光変調素子から射出された光を変調する第２光変調素子と、第１光変調素子による光学像を第２光変調素子に伝達するリレー光学系とを備え、リレー光学系が、入射光を反射面で反射させつつ反対側に透過させ、第１光変調素子による光学像の像を形成する透過型像形成素子を備えた画像表示装置」を既に提案している。

ここで言う「透過型像形成素子」とは、物体の鏡像対称位置に物体の擬似的な実像を形成する（擬似的に結像する）機能を有する光学素子である。透過型像形成素子は、光を収束する作用は有しているが、リレーレンズのような完全な結像作用を有していないため、鏡像対称位置に形成される像の解像度は低下する。これにより、コストを高騰させることなく、第１光変調素子の光学像と第２光変調素子との干渉で生じるモアレを抑制することができる。

透過型像形成素子は、具体的には、例えば第１の面と第２の面を貫通する多数の貫通孔を有し、貫通孔の内壁面が反射面とされた光学部材が用いられる。例えば第１の面側から貫通孔に対して斜めに入射した光を貫通孔内の反射面で複数回反射させることによって、透過型像形成素子は、第２の面（光が入射した側と反対側の面）側の所定の位置（物体の鏡像対称位置）に物体の擬似的な実像を形成する。ところが、このとき、物体から射出された全ての光が貫通孔内の反射面に入射するわけではなく、貫通孔内に入らずに第１の面に当たる光も存在する。すると、この第１の面に当たった光は第１の面に吸収されるか、反射されてしまい、像の形成に寄与しない。あるいは、貫通孔内に入っても反射面に当たることなく、第２の面側に透過する光も存在する。このような光によって、透過型像形成素子の光利用効率（結像効率）が低くなり、表示画像が暗くなる、という課題があった。
そこで、本発明者は、この課題を解決するべく、以下の構成を有する本発明の画像表示装置を創出した。

本発明の画像表示装置は、光源と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記第１光変調素子から射出された光を変調する第２光変調素子と、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配置され、前記第１光変調素子による光学像を前記第２光変調素子に伝達するリレー光学系と、を備え、前記リレー光学系が、入射光を反射面で反射させつつ前記入射光が入射した側と反対側に透過させ、前記入射光が入射した側と反対側に前記第１光変調素子による光学像の像を形成する透過型像形成素子を有し、前記透過型像形成素子は、第１の面と第２の面との間を貫通し、内壁面が前記反射面とされた貫通孔を有し、前記光源から射出され前記第１の面で反射した第１の光、前記光源から射出され前記反射面で反射せずに前記貫通孔を通過した第２の光の少なくともいずれか一方の光を前記透過型像形成素子に向けて反射させる再帰反射素子が設けられたことを特徴とする。

「再帰反射素子」とは、入射した光を素子内で複数回反射させ、光を入射方向と略同じ方向に戻す反射素子のことである。すなわち、再帰反射素子では自身の内部で光の反射が複数回生じるため、射出光は入射光と全く同じ光路を辿って戻るのではなく、射出光は入射光の光路に対して平行にシフトした光路を辿って戻ることになる。

ここで、本発明の構成においては、光源から射出されて第１の面で反射した第１の光、光源から射出されて反射面で反射することなく貫通孔を通過した第２の光の少なくともいずれか一方の光を透過型像形成素子に向けて反射させる再帰反射素子が設けられている。よって、例えば第１の面で反射した第１の光を反射させる再帰反射素子を設けた場合、再帰反射素子で反射して再度透過型像形成素子に向かう光（再帰反射素子からの射出光）の光路は、第１の面から再帰反射素子に向かう光（再帰反射素子への入射光）の光路に対して平行シフトする。すなわち、光源から射出され第１の面で反射した光の中には、再帰反射素子で反射して透過型像形成素子に戻ってきたときには光路がずれ、今度は貫通孔の中に入って内部の反射面に当たる光も出てくる。

また、反射面で反射せずに貫通孔を通過した第２の光を反射させる再帰反射素子を設けた場合、再帰反射素子で反射して再度透過型像形成素子に向かう光（再帰反射素子からの射出光）の光路は、反射面で反射せずに貫通孔を通過した光（再帰反射素子への入射光）の光路に対して平行シフトする。すなわち、反射面で反射せずに貫通孔を通過した光の中には、再帰反射素子で反射して透過型像形成素子に戻ってきたときには、今度は第２の面で反射して鏡像対称点に向かう光も出てくる。このようにして、本発明の画像表示装置によれば、再帰反射素子を設けたことによって光の利用効率を上げることができるため、明るい表示画像を得ることができる。

本発明において、前記透過型像形成素子の前記第１の面、前記第２の面のうち、前記再帰反射素子で反射した光が入射する側の面が鏡面とされていることが望ましい。

上述したように、本発明の画像表示装置においては、透過型像形成素子の第１の面で反射した後、再帰反射素子で再度反射して透過型像形成素子の貫通孔内の反射面に当たる光が鏡像対称点に向かい、画像表示に寄与することになる。もしくは、貫通孔を素通りした後、再帰反射素子で反射し、さらに透過型像形成素子の第２の面で反射した光が鏡像対称点に向かい、画像表示に寄与することになる。したがって、第１の面、第２の面のうち、再帰反射素子で反射された光が入射する側の面は鏡面とし、第１の面、第２の面での光の吸収を抑え、反射率を高めた方が光利用効率をより向上させることができる。

また、前記第１の光の光路上および前記第２の光の光路上に前記再帰反射素子がそれぞれ設けられた場合、前記第１の光の光路上に設けられた前記再帰反射素子の反射率が、前記第２の光の光路上に設けられた前記再帰反射素子の反射率よりも高いことが望ましい。

第１の光の光路上の再帰反射素子（第１の再帰反射素子と称する）と第２の光の光路上の再帰反射素子（第２の再帰反射素子と称する）とで第１光変調素子に戻る戻り光の強度を比較すると、第１の再帰反射素子からの戻り光は（再帰反射素子以外で）２回の反射を経るのに対し、第２の再帰反射素子からの戻り光は透過するだけであるから、この点では（反射の回数を考慮すると）、第１の再帰反射素子よりも第２の再帰反射素子からの戻り光の方が強度が高いと言える。一方、第２光変調素子に至る光の強度を比較すると、両者とも（再帰反射素子以外で）１回の反射を経るため、この点では（反射の回数を考慮すると）、強度が等しいと言える。第２光変調素子に至る光は表示に寄与する一方、第１光変調素子に戻る戻り光は表示品位を低下させる恐れがあるため、第１の再帰反射素子の反射率を第２の再帰反射素子の反射率よりも高めることが望ましい。

本発明のプロジェクタは、上記本発明の画像表示装置と、前記第２光変調素子により形成される画像を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、第１光変調素子の光学像と第２光変調素子との干渉で生じるモアレが抑制されるとともに、光利用効率が高く、表示品位に優れたプロジェクタを実現することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図６を参照しつつ説明する。
本実施形態の画像表示装置は、第１光変調素子、第２光変調素子の双方に液晶ライトバルブを採用した２変調方式の投射型画像表示装置（プロジェクタ）の例である。本実施形態は、前段側の第１光変調素子を輝度変調用液晶ライトバルブ、後段側の第２光変調素子を色変調用液晶ライトバルブとした例である。輝度変調用液晶ライトバルブと色変調用液晶ライトバルブとの間に、本発明の特徴的なリレー光学系であるマイクロミラーアレイ（透過型像形成素子）が配置されている。このマイクロミラーアレイは、鏡像対称位置に物体の擬似的な実像を形成する（擬似的に結像する）ものであり、光を収束する作用は有しているが、一般的なリレーレンズのように完全な結像作用は有していない。

図１は、本実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図（平面図）である。図２は、マイクロミラーアレイの構成を示す斜視図である。図３は、マイクロミラーアレイの１つのマイクロミラーにより光が反射する様子を示す斜視図である。図４は、マイクロミラーアレイからの射出光束の様子を示す図である。図５は、マイクロミラーアレイに対するコーナーキューブアレイ（再帰反射素子）の配置を示す図である。図６はコーナーキューブアレイの作用を説明するための図である。
なお、以下の各図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素毎に寸法や位置関係の縮尺を異ならせることもある。

本実施形態の投射型画像表示装置１は、図１に示すように、光源２と、光源２から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明光学系３と、均一照明光学系３から入射した光を変調する輝度変調部９と、輝度変調部９で変調された光を赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）の３原色毎に変調する色変調部４と、色変調部４から入射した光をスクリーン５に投射する投射レンズ６（投射光学系）とで構成されている。光源２は、高圧水銀ランプ等のランプ７と、ランプ７からの射出光を反射するリフレクタ８とで構成されている。

光源２から射出した光束は均一照明光学系３に入射する。均一照明光学系３は、第１フライアイレンズ１０、第２フライアイレンズ１１、偏光変換素子１２、集光レンズ１３が光源２側からこの順に設置されて構成されている。中でも、第１フライアイレンズ１０、第２フライアイレンズ１１、および集光レンズ１３は光束断面における光強度分布を均一化する機能を有する。また、偏光変換素子１２は、例えば偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）アレイと１／２波長板などから構成されており、光源２から射出された不定偏光状態の光束を後段の光学系で利用可能な振動方向が一方向に揃った直線偏光に変換する。

均一照明光学系３を射出した光束は輝度変調部９に入射する。輝度変調部９は、透過率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列した１枚の透過型液晶ライトバルブからなる輝度変調用ライトバルブ３４（第１光変調素子）と、輝度変調用ライトバルブ３４の前後に配置されたレンズ４２，４３とから構成されている。輝度変調用ライトバルブ３４は、入射された白色光を表示画像データに基づいて輝度変調し、光学像を内包した変調光を射出する。

色変調部４は、２枚のダイクロイックミラー１７，３３と、３枚のミラー１８と、２組のＢ光路用リレーレンズ１４，１５およびサブリレーレンズ４４，４５と、透過率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列した３枚の透過型液晶ライトバルブ３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂ（第２光変調素子、Ｒ光用、Ｇ光用、Ｂ光用に各１枚ずつ）と、３枚のフィールドレンズ２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム２４とで構成されている。なお、透過型液晶ライトバルブ３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂを一括して色変調用ライトバルブ３２と呼ぶこともある。

ダイクロイックミラー１７，３３は、光源２から射出された光（白色光）を、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の３原色に分離（分光）する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１７は、ガラス板等にＲ光を透過し、Ｇ光およびＢ光を反射する性質のダイクロイック膜を形成したものであり、光源２からの白色光に含まれるＲ光を透過し、Ｇ光およびＢ光を反射する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１７を透過したＲ光は、ミラー１８で反射し、フィールドレンズ２３Ｒを経て透過型液晶ライトバルブ３２Ｒに入射する。

Ｂ光透過ダイクロイックミラー３３は、ガラス板等にＢ光を透過し、Ｇ光を反射する性質のダイクロイック膜を形成したものであり、Ｂ光透過ダイクロイックミラー３３で反射したＧ光およびＢ光のうち、Ｂ光を透過し、Ｇ光を反射する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー３３で反射されたＧ光は、フィールドレンズ２３Ｇを経て透過型液晶ライトバルブ３２Ｇに入射する。Ｂ光の光路上の第２リレーレンズ１５は第１リレーレンズ１４近傍の光（光強度分布）をフィールドレンズ２３Ｂ近傍に伝達する機能を有し、第１リレーレンズ１４は第２リレーレンズ１５に光を効率良く入射させる機能を有する。また、各サブリレーレンズ４４，４５は各リレーレンズ１４，１５間で光を効率良く伝達する機能を果たす。このようにして、第１リレーレンズ１４に入射したＢ光は、その強度分布がほぼ保存された状態で、かつ、光損失をほとんど伴うことなく空間的に離れた透過型液晶ライトバルブ３２Ｂに伝達される。

フィールドレンズ２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂは、入射する各色光を略平行化し、各色光を効率良く透過型液晶ライトバルブ３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂに入射させる機能を有する。ダイクロイックミラー１７，３３で分光されたＲ、Ｇ、Ｂの３原色の光は、上述したフィールドレンズ２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ、リレーレンズ１４，１５、サブリレーレンズ４４，４５、反射ミラー１８等を経て色変調用ライトバルブ３２に入射する。そして、分光したＲ、Ｇ、Ｂの３原色の光の輝度が各透過型液晶ライトバルブ３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂにより変調され、変調されたＲ、Ｇ、Ｂの３原色の光がダイクロイックプリズム２４にそれぞれ射出される。

透過型液晶ライトバルブ３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂは、画素電極およびこれを駆動するための薄膜トランジスタ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ＴＦＴアレイ基板と、全面にわたって共通電極が形成された対向基板との間に、ＴＮ（Twisted Nematic）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。液晶ライトバルブ３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂは、電圧無印加状態で白／明（透過）状態、電圧印加状態で黒／暗（非透過）状態となるノーマリーホワイトモード、またはその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、印加電圧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３２Ｂ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３２Ｇ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３２Ｒ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２４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）と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）とが断面Ｘ字状に形成されている。そして、透過型液晶ライトバルブ３２ＧからのＧ光を透過し、透過型液晶ライトバルブ３２ＲからのＲ光と透過型液晶ライトバルブ３２ＢからのＢ光とを反射させてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。この合成光は、投射レンズ６に入射し、投射レンズ６によってスクリーン５上に投影される。

マイクロミラーアレイ２５は、輝度変調用液晶ライトバルブ３４の光学像を色変調用液晶ライトバルブ３２の近傍に（擬似的に）結像するものであり、その詳細は後述する。したがって、輝度変調用液晶ライトバルブ３４によって輝度変調を受けた光は、色変調用液晶ライトバルブ３２の近傍に結像した後、色変調用液晶ライトバルブ３２によって変調を受ける。

次に、図２〜図４を用いてマイクロミラーアレイ２５の光学機能について説明する。
マイクロミラーアレイ２５は、図２に示すように、任意の板体２７に多数の微細な断面が四角形の貫通孔２８をアレイ状に形成した素子である。なお、以下の説明では、板体２７の主面を第１の面２７ａ、第２の面２７ｂと呼び、特に光が入射する側の面を第１の面２７ａ、光が射出する側の面を第２の面２７ｂと呼ぶことにする。貫通孔２８の内壁面２９ａ，２９ｂはマイクロミラーアレイ２５の第１の面２７ａおよび第２の面２７ｂに対して垂直に形成されており、かつ、内壁面２９ａ，２９ｂ同士は直交している。これらの内壁面２９ａ，２９ｂは高い反射率を有する鏡面（反射面）となっており、隣接する２枚の鏡面が組みとなって２面コーナーリフレクタを構成する。

すなわち、この２面コーナーリフレクタは２枚の反射鏡が直角に配置されたものであり、２枚の反射鏡の垂線で作られる平面内の成分は入射方向に戻るが、２枚の鏡に平行な成分には影響を与えないという特性を持つ。以後、上記の貫通孔２８をマイクロミラーと称する。マイクロミラー２８の一辺は約１０〜１００μｍ程度の寸法を有しており、このような微細なマイクロミラー２８がアレイ状に多数配列されていることで、マイクロミラーアレイ２５を中心として物体（Ａ点）の鏡像対称となる位置にＡ点の像が形成される。ただし、マイクロミラーアレイ２５は結像作用を持っていないため、像の解像度は低下する。解像度の低下の度合いは、物体とマイクロミラーアレイ２５の距離とマイクロミラー２８のサイズとで決まる。

図２に示すように、輝度変調用液晶ライトバルブ３４のＡ点から射出した光束Ｌは、マイクロミラー２８の隣接する２つの内壁面２９ａ，２９ｂでそれぞれ反射し（図２では図面を見やすくするために１回の反射で示してある）、マイクロミラーアレイ２５から射出する。この射出光は、マイクロミラーアレイ２５に対してＡ点と鏡像対称位置の近傍に到達し、色変調用液晶ライトバルブ３２上に像を形成する。

図３は、１つのマイクロミラー２８により光が反射する様子の詳細を示す図である。Ａ点から射出した光束Ｌは、マイクロミラー２８の上左側の内壁面２９ａで反射された後、上右側の内壁面２９ｂで反射され、マイクロミラー２８を通過する。この２回の反射作用によって、入射光束Ｌの光線ベクトルのうち、上左側と上右側の２枚の内壁面２９ａ，２９ｂの垂線で作られる平面内の成分は、入射方向に戻るが、２枚の内壁面２９ａ，２９ｂに平行な成分は影響を受けない。この結果、マイクロミラー２８を通過した光束Ｌは、略Ａ点の鏡像対称位置の方向に向けて進行する。

図４は、複数のマイクロミラー２８からの射出光束の様子を示す図である。なお、本図においても、図面を見やすく表示するためにマイクロミラー２８内部での反射は１回で示してある。この図に示すように、Ａ点からの射出光束のうち、異なるマイクロミラー２８を通過した光束も略Ａ点の鏡像対称位置の近傍に収束する。したがって、輝度変調用液晶ライトバルブ３４で形成された画像情報は、マイクロミラーアレイ２５によって、マイクロミラーアレイ２５に対してほぼ鏡像対称となる空間位置に擬似的に結像される。したがって、前述の結像位置に色変調用液晶ライトバルブ３２を配置することで、輝度変調用液晶ライトバルブ３４での画像情報に対して更なる変調を付加することができるため、ダイナミックレンジが高い表示画像を得ることが可能になる。

ところで、この種のマイクロミラーアレイ２５には光損失が存在する。すなわち、図４に示すように、Ａ点から発した光のうち、マイクロミラー２８（貫通孔）内に入射せずにマイクロミラー２８とマイクロミラー２８との間の第１の面２７ａに到達した光は、第１の面２７ａで吸収されたり、反射されたりするために結像に寄与しない（第１の面２７ａで反射した光を破線ａ１の矢印で示す）。また、マイクロミラー２８内に入射しても内壁面２９ａ，２９ｂに当たらずに第２の面２７ｂ側に抜けてしまう光（破線ｂ１の矢印で示す）も結像に寄与しない。したがって、これら２種類の光はマイクロミラーアレイ２５での光損失成分となってしまう。

そこで、本実施形態の投射型画像表示装置１では、図１に示すように、第１の面２７ａで反射した光（第１の光）を再度マイクロミラーアレイ２５に向けて反射させる第１のコーナーキューブアレイ４５（再帰反射素子）と、内壁面２９ａ，２９ｂで反射せずにマイクロミラー２８を通過した光（第２の光）をマイクロミラーアレイ２５に向けて反射させる第２のコーナーキューブアレイ４６（再帰反射素子）とが設けられている。本実施形態のコーナーキューブアレイ４５，４６は、任意の板体の一面に複数の正三角錐状のコーナーキューブ（凹部）がアレイ状に配列され、凹部の内壁面が高い反射率を有する鏡面（反射面）とされたものである。コーナーキューブは、入射光を凹部内で複数回（この例では３回）反射させ、光を入射方向と略同じ方向に戻す（再帰反射性）。ただし、複数回の反射が生じるため、反射光は入射光と全く同じ光路を辿って戻るのではなく、入射光の光路に対して平行にシフトした光路を辿って戻る。

より具体的な配置は図５に示す通りであり、マイクロミラーアレイ２５の入射光軸（輝度変調用ライトバルブ３４（物体面）からマイクロミラーアレイ２５の中心に向かう法線）の延長線上に第２のコーナーキューブアレイ４６が設置され、マイクロミラーアレイ２５の射出光軸（色変調用ライトバルブ３２（像面）からマイクロミラーアレイ２５の中心に向かう法線）の延長線上に第１のコーナーキューブアレイ４５が設置されている。マイクロミラーアレイ２５は、第１の面２７ａおよび第２の面２７ｂが上記の入射光軸および射出光軸に対して略４５°の角度をなすように配置されている。第１のコーナーキューブアレイ４５、第２のコーナーキューブアレイ４６は、上記の入射光軸および射出光軸に対して略９０°の角度をなすように配置されている。また、入射光軸と射出光軸との交点から第１のコーナーキューブアレイ４５、第２のコーナーキューブアレイ４６、物体面（輝度変調用ライトバルブ３４）、像面（色変調用ライトバルブ３２）までの距離は全て等しく設定されている。

図６はコーナーキューブアレイ４５，４６の作用を説明するための図である。
物体面上のＡ点から発した光のうち、マイクロミラー２８とマイクロミラー２８との間の第１の面２７ａで反射した光（符号ａ１で示す）は第１のコーナーキューブアレイ４５に入射する。上述したように、コーナーキューブは再帰反射性を有する反射素子であり、これをアレイ状に多数配列したコーナーキューブアレイは、Ａ点から発した光を再びＡ点の近傍に戻す擬似的な結像作用を有している。そのため、第１のコーナーキューブアレイ４５で反射して再度マイクロミラーアレイ２５に入射する光のうち、マイクロミラー２８とマイクロミラー２８との間の第１の面２７ａで反射する光はＡ点の近傍に戻ってしまう。しかしながら、上述したように、コーナーキューブからの反射光は入射光の光路に対してシフトした光路を辿って戻るという特性があるため、中にはマイクロミラー２８を透過する光（符号ａ２で示す）も生じ、この光は像面上のＡ点の鏡像対称位置の近傍に集光する。この位置はマイクロミラーアレイ２５によるＡ点の像位置と一致する。

同様に、物体面上のＡ点から発した光のうち、内壁面２９ａ，２９ｂで反射せずにマイクロミラー２８を通過した光（符号ｂ１で示す）は第２のコーナーキューブアレイ４６に入射する。第２のコーナーキューブアレイ４６で反射して再度マイクロミラーアレイ２５に入射する光のうち、再び内壁面２９ａ，２９ｂで反射せずにマイクロミラー２８を通過する光はＡ点の近傍に戻ってしまう。その一方、光路がシフトしてマイクロミラー２８とマイクロミラー２８との間の第２の面２７ｂに当たる光は第２の面２７ｂで反射し、反射光（符号ｂ２で示す）は像面上のＡ点の鏡像対称位置の近傍に集光する。

したがって、第１、第２のコーナーキューブアレイ４５，４６を設けたことによって、物体面上のＡ点から発して第１の面２７ａで反射した光ａ１、あるいは内壁面２９ａ，２９ｂで反射せずにマイクロミラー２８を通過した光ｂ１のうちの一部を結像に寄与させることができ、光の利用効率を向上させることができる。そのため、光の利用効率をより高めるためには、マイクロミラーアレイ２５の第１の面２７ａ、第２の面２７ｂは光をできるだけ吸収しないように、例えば銀やアルミニウム等の反射率の高い金属からなる鏡面としておくことが望ましい。

また、第１のコーナーキューブアレイ４５と第２のコーナーキューブアレイ４６とで物体面上のＡ点に戻る戻り光の強度を比較すると、第１のコーナーキューブアレイ４５からの戻り光は第１のコーナーキューブアレイ４５以外で２回の反射（マイクロミラーアレイ２５の第１の面２７ａで２回反射）を経るのに対し、第２のコーナーキューブアレイ４６からの戻り光は反射を伴わないので、この点では（反射の回数を考慮すると）、第１のコーナーキューブアレイ４５からの戻り光よりも第２のコーナーキューブアレイ４６からの戻り光の方が強度が高いと言える。一方、像面に至る光の強度を比較すると、両者とも第１，第２のコーナーキューブアレイ４５，４６以外で１回の反射を経るため、この点では（反射の回数を考慮すると）、強度が等しいと言える。像面に至る光は表示に寄与する一方、Ａ点に戻る戻り光は表示品位を低下させる恐れがあることを考慮すると、第１のコーナーキューブアレイ４５の反射率を第２のコーナーキューブアレイ４６の反射率よりも高めておくことが望ましい。例えば、第１のコーナーキューブアレイ４５の反射面を銀で形成し、第２のコーナーキューブアレイ４６の反射面をアルミニウムで形成すること等が挙げられる。

本実施形態の投射型画像表示装置１においては、輝度変調用液晶ライトバルブ３４の像をマイクロミラーアレイ２５で色変調用液晶ライトバルブ３２に伝達しているため、モアレの発生を抑制することができる。すなわち、輝度変調用液晶ライトバルブ３４上のＡ点から射出した光束が、完全に結像するのではなく、色変調用液晶ライトバルブ３２上に収束することで像を形成する。このため、像の解像度が若干低下し、マイクロミラーアレイ２５は一種の光学的ローパスフィルターとして機能する。この結果、モアレの発生による表示画質の劣化を抑制することができる。

また、第１，第２のコーナーキューブアレイ４５，４６を設けたことにより、マイクロミラーアレイ２５を単体で用いたときに損失する光の一部が結像に寄与することになる。そのため、マイクロミラーアレイ２５の結像効率（光利用効率）を上げることができ、明るい表示画像を得ることができる。さらに、複雑な構成を持つ従来のリレーレンズを１枚のマイクロミラーアレイ２５と２枚のコーナーキューブアレイ４５，４６で代用できるため、装置全体のコストの低減を図ることができる。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図７を用いて説明する。
本実施形態の画像表示装置も、第１実施形態と同様、第１光変調素子、第２光変調素子の双方に液晶ライトバルブを用いた２変調方式の投射型画像表示装置の例である。
図７は、本実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図（平面図）である。この図において、第１実施形態で用いた図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

第１実施形態では、前段側の第１光変調素子を輝度変調用液晶ライトバルブ、後段側の第２光変調素子を色変調用液晶ライトバルブとしたが、本実施形態では、前段側の第１光変調素子を色変調用液晶ライトバルブ、後段側の第２光変調素子を輝度変調用液晶ライトバルブとしている。すなわち、本実施形態では、クロスダイクロイックプリズム２４と輝度変調用ライトバルブ３４との間に、第１実施形態と同様のマイクロミラーアレイ２５が配置されている。マイクロミラーアレイ２５は、クロスダイクロイックプリズム２４から射出される光の光軸に対して斜めに配置されている。このマイクロミラーアレイ２５によって、クロスダイクロイックプリズム２４からの合成光で形成された色変調用ライトバルブ３２の光学像（光強度分布）が後段の輝度変調用ライトバルブ３４に伝達される。

また、マイクロミラーアレイ２５の第１の面で反射した光を再度マイクロミラーアレイ２５に向けて反射させる第１のコーナーキューブアレイ４５（再帰反射素子）と、内壁面で反射せずにマイクロミラーを通過した光をマイクロミラーアレイ２５に向けて反射させる第２のコーナーキューブアレイ４６（再帰反射素子）とが設けられている。マイクロミラーアレイ２５の入射光軸（ダイクロイックプリズム２４からマイクロミラーアレイ２５の中心に向かう法線）の延長線上に第２のコーナーキューブアレイ４６が設置され、マイクロミラーアレイ２５の射出光軸（マイクロミラーアレイ２５の中心から投射レンズ６の光軸に向かう軸）の延長線上に第１のコーナーキューブアレイ４５が設置されている。マイクロミラーアレイ２５は、第１の面および第２の面が上記の入射光軸および射出光軸に対して略４５°の角度をなすように配置されている。第１のコーナーキューブアレイ４５、第２のコーナーキューブアレイ４６は、上記の入射光軸および射出光軸に対して略９０°の角度をなすように配置されている。

本実施形態の投射型画像表示装置３１においても、各色光毎の色変調用ライトバルブ３２の像をマイクロミラーアレイ２５によって輝度変調用ライトバルブ３４に伝達しているため、モアレの発生を抑制することができる、第１，第２のコーナーキューブアレイ４５，４６を設けたことでマイクロミラーアレイ２５の結像効率（光利用効率）が上がり、明るい表示画像が得られる、リレー光学系の構成が簡素化することで装置のコストが低減する、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。上記実施形態ではマイクロミラーアレイの第１の面で反射した光を反射させる第１のコーナーキューブアレイと、内壁面で反射せずに貫通孔を通過した光を反射させる第２のコーナーキューブアレイの双方を備えているが、いずれか一方を備えたのみでも光利用効率の向上効果は得られる。また、上記実施形態で例示した投射型画像表示装置の各光学系の具体的な構成については適宜変更が可能であり、例えば再帰反射素子としてはコーナーキューブアレイの他、反射材上に多数のガラスビーズを敷き詰めた再帰反射材等を用いることもできる。また、第１、第２光変調素子として、透過型液晶ライトバルブ以外に、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ等を用いることもできる。

また、図５、図６の構成では、マイクロミラーアレイ２５が物体面および像面に対して斜めに配置されているため、マイクロミラーアレイ２５から遠い点の像の広がりが相対的に大きくなり、近い点の像の広がりが相対的に小さくなる。この結果、色変調用ライトバルブ３２に均一な画像処理を施した表示を行うと、投射画像の部位によってその画質に差異が生じてしまう。よって、例えば、より近い距離の画像情報に対してより低い周波数のローパスフィルターをかけたり、マイクロミラーアレイ２５からの距離に応じて異なる画像処理を施してもよい。

本発明の第１実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図である。 同画像表示装置のマイクロミラーアレイの構成を示す斜視図である。 同マイクロミラーアレイの１つのマイクロミラーにより光が反射する様子を示す斜視図である。 複数のマイクロミラーからの射出光束の様子を示す図である。 コーナーキューブアレイの配置を示す図である。 コーナーキューブアレイの作用を説明するための図である。 本発明の第２実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図である。

符号の説明

１，３１…投射型画像表示装置（画像表示装置）、２…光源、６…投射レンズ（投射光学系）、２５…マイクロミラーアレイ（透過型像形成素子、リレー光学系）、２７ａ…第１の面、２７ｂ…第２の面、２８…マイクロミラー（貫通孔）、３２…色変調用ライトバルブ（第２光変調素子）、３４…輝度変調用ライトバルブ（第１光変調素子）、４５…第１のコーナーキューブアレイ（再帰反射素子）、４６…第２のコーナーキューブアレイ（再帰反射素子）。

Claims (4)

1. 光源と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記光源から射出された光を変調する第１光変調素子と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記第１光変調素子から射出された光を変調する第２光変調素子と、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配置され、前記第１光変調素子による光学像を前記第２光変調素子に伝達するリレー光学系と、を備え、
   前記リレー光学系が、入射光を反射面で反射させつつ前記入射光が入射した側と反対側に透過させ、前記入射光が入射した側と反対側に前記第１光変調素子による光学像の像を形成する透過型像形成素子を有し、
   前記透過型像形成素子は、第１の面と第２の面との間を貫通し、内壁面が前記反射面とされた貫通孔を有し、
   前記光源から射出され前記第１の面で反射した第１の光、前記光源から射出され前記反射面で反射せずに前記貫通孔を通過した第２の光の少なくともいずれか一方の光を前記透過型像形成素子に向けて反射させる再帰反射素子が設けられたことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記透過型像形成素子の前記第１の面、前記第２の面のうち、前記再帰反射素子で反射した光が入射する側の面が鏡面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. 前記第１の光の光路上および前記第２の光の光路上に前記再帰反射素子がそれぞれ設けられ、前記第１の光の光路上に設けられた前記再帰反射素子の反射率が、前記第２の光の光路上に設けられた前記再帰反射素子の反射率よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の画像表示装置と、前記第２光変調素子により形成される画像を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクタ。

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