JP4556470B2 - 光学表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学表示装置の画質改善技術に関し、特に、表示最大輝度の拡大と高諧調化を実現するのに適した光学系を備えた光学表示装置に関する。

近年、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ），ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ），プラズマディスプレイ，ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ），投射型表示装置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、たかだか１〜１０^２［ｎｉｔ］程度の範囲にとどまり、また諧調数は、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］程度であり、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ビット相当と言われている。このような視覚特性を経由して現在の電子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諧調が不足しているため、表示画像のリアリティーさ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ている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 Ｄｉｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ）表示データという）に持たせて描写のリアリティーを追求する動きが主流になりつつある。しかし、それを表示する電子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することが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、高諧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。
電子ディスプレイ装置の中でも、液晶プロジェクタ、ＤＬＰプロジェクタ等の投射型表示装置は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティー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きた。

投射型表示装置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、光源からの出射光束を第一透過率変調素子で変調して所望の照明光量分布を形成し、該照明光量分布を第二透過率変調素子上に伝達してそれを照明するというものである。透過率変調素子としては、透過率が個々に制御可能な画素構造あるい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ものが用いられる。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。また、透過率変調素子の代わりに反射率変調素子を用いても良く、その代表的な例としてはデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）素子が挙げられる。

今、暗表示の透過率が０．２％、明表示の透過率が６０％の透過率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、これを単独で使用する構成に相当し、その輝度ダイナミックレンジは６０／０．２＝３００になる。一方、前記構成は、ダイナミックレンジが３００の透過率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、理論上は３００×３００＝９００００のダイナミックレンジを実現することが可能になる。また、階調特性についても同等の考えが成り立ち、８ビット諧調の透過率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特性を得ることができる。

なお、第一，第二透過率（反射率）変調素子は、映像信号から作られた第一及び第二変調信号でそれぞれ別個に駆動される。
同様に、直視型表示装置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、投射型表示装置の基本構成と類似し、投射型表示装置の基本構成では、第一変調素子を透過して照明光量分布を形成するのに対し、個別領域毎に輝度制御が可能なバックライトを用いた構成となっているところが異なるだけである。

高い輝度ダイナミックレンジを実現する投射型表示装置としては、例えば、非特許文献１に開示されている投射型表示装置が知られている。この装置は、第一光変調素子としてＬＣＤを、第２光変調素子としてＬＥＤ又は蛍光灯等の変調可能な照明を用いている。
また、直視型液晶表示装置として、例えば、特許文献１に記載の表示装置がある。この装置は、映像表示液晶パネルと光学的に共役な位置（結像関係が成立する位置）にある照明光学系の第一フライアイレンズ位置に照明光量制御パネルを配置し、そこで生成された照明光量分布を映像表示液晶パネルに伝達するものである。

また、投射型液晶表示装置として、例えば、特許文献２に記載の投射型表示装置がある。この装置は、複数の画素をライン状に配列した光変調素子と、映像信号に応じて照射光量の変調が可能な照射手段とから構成され、２次元画像の表示が可能な投射型表示装置であり、光源及び光変調素子ともに映像信号に合わせて変調するために輝度ダイナミックレンジの拡大が可能である。
Ｈｅｌｇｅ Ｓｅｅｔｚｅｎ Ｌｏｒｎｅ Ａ．Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ，Ｇｒｅｇ Ｗａｒｄ，唐` Ｈｉｇｈ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ｌｏｗ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ煤CＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２００３，ｐｐ．１４５０−１４５３（２００３） 特開２００１−１００６８９号公報 特開２００１−１７４９１９号公報

ＨＤＲ表示データは、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することができる画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素値を画像の全画素について格納している。ＨＤＲ画像処理的には、次の３つの画素が存在している。すなわち、計算対象の画素データ，計算で得る第１変調画素値，第２変調画素値が存在するが、それぞれ、同じ位置にある画素とみなしてデータ処理を行っている。実機でＨＤＲ画像を表示する処理においては、一連の処理結果で得られた画像データで、第１変調素子，第２変調素子を駆動する。実際には、それぞれの画素がどちらかの変調素子上で光学的に重なるように、データの並び替えを行う場合もある。光学的な構成によっては、並び替えが不要な場合もある。

非特許文献１記載の発明にあっては、２つの光変調素子を用いた場合に高い輝度ダイナミックレンジを実現できることを概念的に説明するにとどまり、ＨＤＲ表示データに基づいて第１光変調素子及び第２光変調素子の各画素の制御値をどのように決定するかについては開示されていない。決定方法によっては画質が劣化するという問題があった。
また、特許文献１に記載の直視型表示装置の課題としては、映像表示用に反射型ライトバルブであるＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を用いることに言及しているが、具体的な装置構成については一切開示されていないことである。すなわち、透過型液晶パネルは各画素の光の透過する部分が窓状の開口形状となっている。従って、照明光量制御パネルの窓状開口部の像を映像液晶パネルの窓状開口部に正確に重なるようにアライメントをしないと、光の利用効率の低下やモアレを引き起こすという課題が解決されていない。

また、特許文献２記載の投射型表示装置の課題としては、光量の変調ができる照明光源を用いており、非常にコストのかかる照明系である。さらに、光量の変調が可能な照明装置の最大輝度は、それほど高い輝度レベルを実現できない。このように、光源を直接変調する方式では、コストが高くなり、最大輝度を上げることが難しいという問題がある。
これに対して複数の変調素子を光の光路上に直列に並べることで輝度ダイナミックレンジを拡大する方式がある。この方式は、輝度ダイナミックレンジの拡大が比較的容易であるが、一方で変調素子を直列に配置するために、同じ光源を用いた１変調素子の投射型表示装置に比べ、最大輝度が大幅に低下してしまうという課題がある。

そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に直目してなされたものであって、光の利用効率が高く、モアレの発生を抑制することができ、輝度の拡大と諧調数の増大を実現することができる光学表示装置を提供することを目的としている。

〔発明１〕 上記課題を解決するために、発明１の光学表示装置は、
光の反射特性を独立に制御可能な複数の画素を有する少なくとも１つの第１光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する少なくとも１つの第２光変調素子とを介して光源からの光を変調する光学系を備えた光学表示装置であって、
前記第１光変調素子は、前記光源からの光のうち、与えられた制御値に応じた光量の光を第１の方向に反射し、残りの光量の光を第２の方向に反射するようになっており、
前記第１光変調素子により分離された前記光源からの光を再び合成する光合成手段を備え、
前記第１光変調素子が前記第１の方向に反射した反射光は、前記第２光変調素子を介して前記光合成手段に入射され、前記第１光変調素子が前記第２の方向に反射した反射光は、前記光合成手段に直接入射されることを特徴とする。

この構成によれば、第１光変調素子が、与えられた制御値に応じた光量の光を第１の方向に反射し、残りの光量の光を第２の方向に反射するようになっているので、２つの経路に容易に分離することができ、前記第１光変調素子により分離された光のうち第１の方向に反射した反射は、前記第２光変調素子を介して前記光合成手段に入射されることにより階調性を増やすことができ、第２の方向に反射した反射光は、前記光合成手段に直接入射されることにより高い輝度を実現できるので、光の利用効率が高く、輝度の拡大と階調性能の改善の両方を図ることができるという効果が得られる。

〔発明２〕 発明２の光学表示装置は、発明１において、
前記第１の方向に反射した反射光をさらに反射する光反射手段を備え、前記光反射手段で反射された光は、前記第２光変調素子を通過し、前記光合成手段に入射されて前記光合成手段の内部で全反射され、前記第２の方向に反射した反射光は、前記光合成手段に入射され前記光合成手段の内部を直進して通過するように構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１光変調素子により分離された光のうち第１の方向に反射した反射光は、第２光変調素子により変調された後、光合成手段に入射され、光合成手段内で全反射されることにより階調性を増やすことができ、第２の方向に反射した反射光は、前記光合成手段に入射後、光合成手段の内部を直進して通過することにより高い輝度を実現できるので光の利用効率が高く、輝度の拡大と階調性能の改善の両方を図ることができるという効果が得られる。

〔発明３〕 発明３の光学表示装置は、発明１又は２において、
前記第１光変調素子により変調された前記第２の方向に反射した反射光の位相を変化させる位相差板を備え、前記位相差板により位相が変化した前記第２の方向に反射された反射光が、前記光合成手段に入射されることを特徴とする。
この構成によれば、第１光変調素子により変調された第２の方向に反射した反射光の位相を変化させる位相差板を用いることで、位相のずれを調整でき、調整された反射光が光合成手段に入射されるので、光の利用効率が向上するという効果が得られる。

〔発明４〕 発明４の光学表示装置は、発明１において、
前記第１の方向に反射した反射光は、前記光合成手段を直進して通過した後、前記光合成手段の後段に配置されている前記第２光変調素子で反射され、前記第２光変調素子で反射された分離光が前記光合成手段に戻され前記光合成手段の内部で全反射され、前記第２の方向に反射した反射光をさらに反射する光反射手段を備え、前記光反射手段で反射された光は、前記光合成手段の内部を直進して通過するように構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１の方向に反射した反射光は、光合成手段を直進して通過した後、光合成手段の後段に配置されている第２光合成手段に戻され、光合成手段内で全反射されることにより階調性を増大することができ、第２の方向に反射した反射光は、光を反射する光反射手段で反射された後、光合成手段の内部を直進して通過することにより高い輝度を実現できるので、光の利用率が高く、輝度の拡大と階調性能の改善の両方を図ることができるという効果が得られる。

〔発明５〕 発明５の光学表示装置は、発明４において、
前記光合成手段と前記第２光変調素子との間に前記第１光変調素子で変調された前記第１の方向に反射した反射光の位相を変化させる位相差板を備え、前記位相差板により位相が変化した前記第１の方向に反射した反射光が、前記光合成手段に戻され前記光合成手段内で全反射されることを特徴とする。

この構成によれば、第１光変調素子で変調された第１の方向に反射した反射光の位相を変化させる位相差板を用いることで、位相のずれを調整でき、調整された第１の方向に反射した反射光が光合成手段に入射されるので、光の利用効率が向上するという効果が得られる。

〔発明６〕 発明６の光学表示装置は、発明４又は５において、
前記第２光変調素子は、反射型液晶ライトバルブより構成されることを特徴とする。
この構成によれば、第２光変調素子が、反射型液晶ライトバルブより構成されるので、第１光変調素子及び第２光変調素子のアライメント精度が緩和され、モアレの発生を抑制することができるという効果が得られる。

〔発明７〕 発明７の光学表示装置は、発明１〜６のいずれか１つにおいて、
前記第１光変調素子は、デジタルミラーデバイスであることを特徴とする。
この構成によれば、第１光変調素子が、開口率が高いデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いるので、第１光変調素子と第２光変調素子のアライメント精度が緩和され、モアレの発生を抑制することができるという効果が得られる。

〔発明８〕 発明８の光学表示装置は、発明１〜７のいずれか１つにおいて、
前記光合成手段は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。
この構成によれば、光合成手段が、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）により構成されるので、第１の方向に反射した反射光は直進して通過させることができ、第２の方向に反射した反射光は、全反射することができるので、両分離光を容易に合成することができ、光の利用効率を向上させることができるという効果が得られる。

〔発明９〕 発明９の光学表示装置は、発明１〜８のいずれか１つにおいて、
前記第１光変調素子と前記光合成手段との間に配置され、前記第１光変調素子により変調された光学像を前記光合成手段に結像する第１リレーレンズと、前記第１光変調手段と前記第２光変調素子との間に配置され、前記第１光変調素子により変調された光学像を前記第２光変調素子の画素面に結像する第２リレーレンズとを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、第１光変調素子と光合成手段との間に配置された第１リレーレンズにより、第１光変調素子により変調された光学像を光合成手段に効率良く結像することができ、第１光変調手段と第２光変調素子との間に配置された第２リレーレンズにより、第１光変調素子により変調された光学像を第２光変調素子の画素面に効率良く結像することができ、光の利用効率を向上することができるという効果が得られる。

〔発明１０〕 発明１０の光学表示装置は、発明９において、前記第２リレーレンズは、高いテレセントリック性能を有するリレーレンズであることを特徴とする。
この構成によれば、第１光変調素子により分離された光のうち第１の方向に反射した反射は、高いテレセントリック（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ）性能を有するリレーレンズであるので、第２光変調素子への結像性能が上がり、鮮鋭度の高い映像を表示することができるという効果が得られる。

〔発明１１〕 発明１１の光学表示装置は、発明１〜１０のいずれか１つにおいて、
前記第１光変調素子と前記第２光変調素子の対応する画素の比が、約１：１であることを特徴とする。
この構成によれば、第１光変調素子と第２光変調素子の対応する画素の比が、１：１であるので、第１，第２変調素子の制御値を計算する際の演算が簡略化され、処理回路を軽くすることができ、かつ、鮮鋭度の高い映像を表示することができるという効果が得られる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここでは、光学表示装置として投射レンズを用いた投射型表示装置を例に挙げて説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略図である。本実施の形態は，第１光変調素子としてデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を単板方式で構成した投射型表示装置の例である。
この装置は、光源５０と、均一照明部６０ａと、カラーホイール６５と、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１と、第２光変調素子１２と、λ／２位相差板１５と、光合成部１６と、光反射部１８と、投射レンズ１９とから構成されている。
光源５０は、高圧水銀ランプ等のランプ５１と、ランプ５１からの出射光束を反射するリフレクタ５２とから構成されている。光源５０から出射された光束は、均一照明部６０ａに入射される。

均一照明部６０ａには、第一フライアイレンズ６１と、第二フライアイレンズ６２と、偏光変換素子６３ａと、集光レンズ６４とが順次設置されている。第一フライアイレンズ６１、第二フライアイレンズ６２、及び集光レンズ６４は、光束断面における光強度分布を均一化する。また、偏光変換素子６３ａは、例えば、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ，以下、ＰＢＳと略記する）アレイと１／２波長板等とから構成されており、光源から出射された不定偏光状態の光束を後段の光学系で利用できるように振動方向が一方向に揃った偏光に変換する。位相が揃えられた光束は、集光レンズ６４によりカラーホイール６５を通過して第１光変調素子（ＤＭＤ）１１に入射される。この入射光は、位相がＳ偏光成分に揃った状態になっている。

第１光変調素子（ＤＭＤ）１１は、単板方式のデジタルミラーデバイスで構成され、光束に対して第１光変調としての輝度変調を行う。本実施形態では、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１の高速反射式デジタル式光スイッチの機能を効果的に利用している。すなわち、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１では、表面のミラーの向きを変えることで、入射光束の反射方向を制御している。言い換えると、光の透過もしくは遮断状態をスイッチする時間制御によって変調作用を実現するものである。従って、均一照明部６０ａから出射された偏光光束は、ミラーである第１光変調素子（ＤＭＤ）１１を介してもその偏光特性を失うことは無く、制御方法もミラーの反射方向をＯＮ又はＯＦＦで切り替える２値制御が一般的であることからデジタル駆動が用いられている。通常は、入射光束を第１光変調素子（ＤＭＤ）１１に対して垂直に反射する方向をＯＮ方向、それ以外の方向をＯＦＦ方向として使い、ＯＦＦ方向には光吸収部材を配置して光を吸収させ、光のＯＦＦを実現させている。このＯＮ／ＯＦＦの２値制御を利用して、光源５０からの光が、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１で２分され、与えられた制御値に応じた光量の光を第１の方向（図のＡで示す方向）に反射し、残りの光量を第２の方向に反射するようになっており、第１の方向に反射した反射光が変調された後、第１の方向に反射した反射光と第２の方向（図のＢで示す方向）に反射した反射光とが光合成部１６で再び合成されて、投射レンズ１９によりスクリーン上に投影される。

第１光変調素子（ＤＭＤ）１１では、外部からの画像情報に基づいて変調された変調光（ＯＦＦ成分）が、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１から通常ＯＦＦ方向として光吸収部材が配置される第１の方向に射出され、射出された変調光（ＯＦＦ成分）は、位相が変わらないためにＳ偏光成分のままであり、光反射部１８で反射され、第２光変調素子１２に到達する。第２光変調素子１１は、透過型液晶ライトバルブより構成され、外部からの画像情報に基づいて第２光変調素子１２が駆動される。第２光変調素子１２は、外部の画像情報に基づいて透過光を輝度変調する。このようにして、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１からの変調光は、第２光変調素子１２を透過する際に変調を受け、光合成部１６に到達する。第２光変調素子１２からの出射光はＳ偏光成分であるために、光合成部１６で全反射され、投射レンズ１９を経て不図示のスクリーン上に投影される。

また、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１では、外部からの画像情報に基づいて変調された変調光（ＯＮ成分）が、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１から通常ＯＮ方向とされる第２の方向に射出される。すなわち、外部からの画像情報に基づいてカラー画像を時間軸方向に変調した変調光が第１光変調素子（ＤＭＤ）１１から射出される。射出された変調光（ＯＮ成分）は、位相が変わらないために、Ｓ偏光成分のままであり、位相を１／２波長変化させるλ／２位相差板１５を通過することでＰ偏光となるため、光合成部（ＰＢＳ）１６を直進し、投射レンズ１９を経て不図示のスクリーン上に投影される。

このようにして、光源５０からの光は、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１で２分され、２分された光は光合成部１６で合成され図のＣで示す方向に進み、投射レンズ１９を介して不図示のスクリーン上に投影される。第１光変調素子（ＤＭＤ）１１からダイレクトに投射レンズ１９を経て投影させる経路（ＯＮ方向）では、高い輝度が実現でき、第２光変調素子１２を経る経路（ＯＦＦ方向）では、階調性を増やす効果が達成できる。これらによって、高い輝度の実現と高階調性とを実現することができる。また、第１光変調素子として開口部の大きい第１光変調素子（ＤＭＤ）１１を用いているので、多少のアライメントミスがあっても光利用効率はあまり低下しない。さらに、光遮断部が狭いために、モアレも目立ちにくい。

図２は、投射型表示装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
投射型表示装置２００は、図２に示すように、制御プログラムに基づいて演算及びシステム全体を制御するＣＰＵ７０と、所定領域に予めＣＰＵ７０の制御プログラム等を格納しているＲＯＭ７２と、ＲＯＭ７２から読み出したデータやＣＰＵ７０の演算過程で必要な演算結果を格納するためのＲＡＭ７４と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するＩ／Ｆ７８とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス７９で相互にかつデータ授受可能に接続されている。

Ｉ／Ｆ７８には、外部装置として、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１及び第２光変調素子１２を駆動するライトバルブ駆動装置８０と、データやテーブル等をファイルとして格納する記憶する記憶装置８２と、外部のネットワーク１９９に接続するための信号線とが接続されている。
記憶装置８２は、ＨＤＲ表示データを記憶している。

ＨＤＲ表示データは、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することができる画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素数を画像の全画素について格納し、特にＣＧの世界において、ＣＧオブジェクトを実際の風景に合成するために用いられている。画像形式としては様々なものが存在するが、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットよりも高い輝度ダイナミックレンジを実現するために浮動少数点形式で画素数を格納する形式が多い。また、格納する値としては、人間の視覚特性を考慮しない物理的な放射輝度（Ｒａｄｉａｎｃｅ＝Ｗ／（ｓｒ・ｍ^２）や、人間の視覚特性を考慮した輝度（ｌｕｍｉｎａｎｃｅ＝ｃｄ／ｍ^２）に関する値等がある。

ここで、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１，第２光変調素子１２の制御値をどのように決定するかについて説明する。ＨＤＲ表示データにおける輝度レベルをＲｐ、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１の反射率をＴ１、第２光変調素子１２の透過率をＴ２、光変調率をＴｐ、光源の輝度レベルをＲｓとすると、下式が成立する。なお、ゲインＧは１とする。
Ｒｐ＝Ｔｐ×Ｒｓ …（１）
Ｔｐ＝Ｔ１×Ｔ２＋（１−Ｔ１） …（２）
よって、
Ｒｐ＝Ｔ１×Ｔ２×Ｒｓ＋（１−Ｔ１）×Ｒｓ …（３）
表示制御処理は、ＨＤＲ表示データに基づいて第１光変調素子（ＤＭＤ）１１及び第２光変調素子１２の制御値をそれぞれ決定し、決定した制御値に基づいて第１光変調素子（ＤＭＤ）１１及び第２光変調素子１２を駆動する処理であって、ＣＰＵ７０において実行されると、ＨＤＲ表示データを記憶装置８２から読み出す。次いで、読み出したＨＤＲデータを解析し、画素値のヒストグラムや、輝度レベルの最大値、最小値、及平均値を算出する。この解析結果は、暗めのシーンを明るくしたり、明るすぎるシーンを暗くしたり、中間部コントラストを強調するなどの自動画像補正に使用したり、トーンマッピングに使用したりするためである。次いで、この解析結果に基づいて、ＨＤＲ表示データの輝度レベルを投射型表示装置２００の輝度ダイナミックにトーンマッピングし、第２光変調素子１２の解像度に合わせてＨＤＲ画像をリサイズ（拡大又は縮小）し、リサイズ画像の各画素の輝度レベルＲｐ及び光源５０の輝度Ｒｓに基づいて、上式（１）によりリサイズ画像の各画素ごとに光変調率Ｔｐを算出する。次いで、第２光変調素子１２の各画素の透過率をＴ２として初期値を与え、第２光変調素子１２の各画素の透過率Ｔ２を仮決定する。次いで、仮決定した透過率Ｔ２に基づいて、上式（３）により、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１の各画素の反射率Ｔ１を決定し、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１の各画素の制御値を決定した後、第２光変調素子１２の各画素の透過率Ｔ２を決定し、第２光変調素子１２の制御値を決定する。これらの制御値に基づいて第１，第２光変調素子１１，１２を駆動する。

本実施形態では、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１と第２光変調素子１２の対応する画素の比を、１：１とし、これに合わせて第１光変調素子（ＤＭＤ）１１の反射率Ｔ１と第２光変調素子の透過率Ｔ２とを決定し、決定したＴ１，Ｔ２の値に基づいて第１光変調素子（ＤＭＤ）１１，第２光変調素子１２の制御値を決定する。これによれば、第１光変調素子（ＤＭＤ）１１と第２光変調素子１２の対応する画素の比が、１：１であるので、第１，第２変調素子１１，１２の制御値を計算する際の演算が簡略化され、処理回路を軽くすることができ、かつ、鮮鋭度の高い映像を表示することができる。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明の第２実施形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略図である。
ランプ５１から第１光変調素子（ＤＭＤ）２１に至る光路に配置される光学部品及びそれらの機能は、図１と同様であるため、説明は省略する。位相が揃えられた光束は、集光レンズ６４によりカラーホイール６５を通過して第１光変調素子（ＤＭＤ）２１に入射される。この入射光は、位相がＳ偏光成分に揃った状態になっている。
本実施形態では、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１の高速反射式デジタル式光スイッチの機能を効果的に利用している点では、前述した第１実施形態と同様であるが、光反射部１８としてミラー２８を用い、光合成部１６として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いた光合成部（ＰＢＳ）２６を用い、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１と光合成部（ＰＢＳ）２６との間に位相を１／２波長変化させるλ／２位相差板２５を用い、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１からの変調光を光合成部（ＰＢＳ）２６に結像するための第１リレーレンズ２３と、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１からの変調光をミラー２８を介して第２光変調素子２２に結像する第２リレーレンズ２４とを用いている。

第１光変調素子（ＤＭＤ）２１では、前述したように、表面のミラーの向きを変えることで、入射光束の反射方向を制御している。このミラーの制御は、ＯＮ／ＯＦＦの２値制御であり、高速動作可能なデジタル駆動によって光の変調を実現している。通常は、入射光束を第１光変調素子（ＤＭＤ）２１に対して垂直に反射する方向をＯＮ、それ以外の方向をＯＦＦとして使い、ＯＦＦ方向には光吸収部材を配置して光を吸収させ、光のＯＦＦを実現させている。このＯＮ／ＯＦＦの２値制御を利用して、光源５０からの光が、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１で２分され、与えられた制御値に応じた光量の光を第１の方向に反射し、残りの光量を第２の方向に反射するようになっており、第１の方向に反射した反射光が変調された後、第１の方向に反射した反射光と第２の方向に反射した反射光とが再び合成されて、投射レンズ２９によりスクリーン上に投影される。

第１光変調素子（ＤＭＤ）２１では、ＯＦＦ方向として光吸収部材が配置される方向に第２リレーレンズ２４を配置する。外部からの画像情報に基づいて変調された変調光（ＯＦＦ成分）は、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１から射出され、射出された変調光は、位相が変わらないためにＳ偏光成分のままであり、第２リレーレンズ２４を介してミラー２８で反射され、第２光変調素子２２に到達する。第２光変調素子２２は、第１実施形態と同様に、透過型液晶ライトバルブより構成され、外部からの画像情報に基づいて第２光変調素子２２が駆動される。第１光変調素子（ＤＭＤ）２１からの変調光は、第２光変調素子２２を透過する際に変調を受け、光合成部（ＰＢＳ）２６に到達する。第２光変調素子２２からの出射光はＳ偏光成分であるために、光合成部（ＰＢＳ）２６で全反射され、投射レンズ２９を経て不図示のスクリーン上に投影される。

また、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１では、通常ＯＮ方向とされる方向に第１リレーレンズ２３を配置する。外部からの画像情報に基づいて変調された変調光（ＯＮ成分）は、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１から射出され、射出された変調光（ＯＮ成分）は、位相が変わらないために、Ｓ偏光成分のままであり、第１リレーレンズ２３を経てλ／２位相差板２５に入射される。λ／２位相差板２５に入射された第１光変調素子（ＤＭＤ）２１からの変調光は、λ／２位相差板２５から射出する際にＰ偏光となっている。Ｐ偏光の変調光は、光合成部（ＰＢＳ）２６を直進し、投射レンズ２９を経て不図示のスクリーン上に投影される。

このようにして、光源５０からの光は、第１光変調素子（ＤＭＤ）２１で２分され、２分された光は光合成部２６で合成され、不図示のスクリーン上に投影される。第１光変調素子（ＤＭＤ）２１からダイレクトに投射レンズ２９を経て投影させる経路（ＯＮ方向）では、高い輝度が実現でき、第２光変調素子２２を経る経路（ＯＦＦ方向）では、階調性を増やす効果が達成できる。これらによって、高い輝度の実現と高階調性とを実現することができる。また、第１光変調素子として開口部の大きい反射型変調素子（ＤＭＤ）２１を用いているので、多少のアライメントミスがあっても光利用効率はあまり低下しない。さらに、光遮断部が狭いために、モアレも目立ちにくい。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る投射型表示装置について説明する。
図４は、本発明の第３実施形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略図である。
この装置は、光源５０と均一照明部６０ｂと、カラーホイール６５と、第１変調素子（ＤＭＤ）３１と、第２変調素子(反射型液晶ライトバルブ）３２と、λ／４位相差板３５と、光合成部３６と、ミラー３８と、第１リレーレンズ３３と、第２リレーレンズ３４と、投射レンズ３９とから構成されている。

光源５０は、高圧水銀ランプ等のランプ５１と、ランプ５１からの出射光束を反射するリフレクタ５２とから構成されている。光源５０から出射された光束は、均一照明部６０ｂに入射される。
均一照明部６０ｂには、第一フライアイレンズ６１と、第二フライアイレンズ６２と、偏光変換素子６３ｂと、集光レンズ６４とが順次設置されている。第一フライアイレンズ６１、第二フライアイレンズ６２、及び集光レンズ６４は、光束断面における光強度分布を均一化する。また、偏光変換素子６３ｂは、例えば、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）アレイと１／２波長板等とから構成されており、光源から出射された不定偏光状態の光束を後段の光学系で利用できるように振動方向が一方向に揃った偏光に変換する。位相が揃えられた光束は、集光レンズ６４によりカラーホイール６５を通過して第１光変調素子（ＤＭＤ）３１に入射される。この入射光は、位相がＰ偏光成分に揃った状態になっている。第１光変調素子（ＤＭＤ）３１で反射された変調光は、位相が変わらないため、Ｐ偏光成分のままである。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、第１光変調素子（ＤＭＤ）３１の高速反射式デジタル式光スイッチの機能を効果的に利用し、第２実施形態と同様に、光反射部１８としてミラー３８を用い、光合成部１６として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いた光合成部（ＰＢＳ）３６を用いているが、第２光変調素子３２を反射型液晶ライトバルブで構成し、これら第１の光変調素子（ＤＭＤ）３１，λ／４位相差板３５，ミラー３８の位置等が第２実施形態と異なる。

第１光変調素子（ＤＭＤ）３１では、通常、ＯＦＦとして光吸収部材が配置される方向に第２リレーレンズ３４を配置する。第２リレーレンズ３４を経た光束は光合成部（ＰＢＳ）３６に入射した後、λ／４位相差板３５を透過して第２光変調素子（反射型液晶ライトバルブ）３２に到達する。第２光変調素子（反射型液晶ライトバルブ）３２は、表面上に反射画素電極をマトリクス状に形成したシリコン基板と透明電極を形成した透明基板とをスペーサを介して対向配置し、その間に液晶が封入されている。シリコン基板には、反射画素電極を駆動するための駆動回路も形成されている。これら２つの基板の表面には液晶を所定の方向に配向するための配向膜が形成されている。外部からの画像情報に基づいて反射型液晶ライトバルブを駆動すると、液晶分子の配列が変調信号に応じて変化し、それに伴って入射光束の偏光状態が変化する。第２光変調素子（反射型液晶ライトバルブ）３２で偏光状態に変調を受けて反射され再びλ／４位相差板３５を透過して光合成部（ＰＢＳ）３６に入射した光束のうち、Ｓ偏光成分（光変調を受けた光成分）は全反射されて投射レンズ３９を経て不図示のスクリーン上に投影される。

また、第１光変調素子（ＤＭＤ）３１では、通常、ＯＮとされる方向に第１リレーレンズ３３を配置する。外部からの画像情報に基づいて変調した変調光（ＯＮ成分）は第１光変調素子（ＤＭＤ）３１から射出され、射出された変調光（ＯＮ成分）は、位相が変わらないためにＰ偏光成分のままであり、第１リレーレンズ３３を経てミラー３８で反射された後に、光合成部（ＰＢＳ）３６を直進し、投射レンズ３９を経て不図示のスクリーン上に投射される。

このようにして、光源からの光は、第１光変調素子（ＤＭＤ）３１で２分され、一方が変調され、再び合成されて不図示のスクリーン上に投影される。第１光変調素子（ＤＭＤ）３１からダイレクトに投射レンズ３９を経て投影させる経路（ＯＮ方向）では高い輝度が期待でき、第２光変調素子３２を経る経路（ＯＦＦ方向）では、階調性を増やす効果が達成できる。これらによって、高い輝度の実現と高階調性とを実現することができる。また、第１，第２光変調素子３１，３２ともに開口部の大きい反射型変調素子を用いているので、多少のアライメントミスがあっても光利用効率はあまり低下しない。さらに、光遮光部が狭いため、モアレも目立ちにくい。

以上説明したように、本発明の投射型表示装置では、前段の光変調素子として、デジタルミラーデバイスを用いているために、光の利用効率が高く、かつモアレの発生を抑制して、輝度の拡大と階調数の増大を実現することができる。
また、前段の光変調素子からの光を後段の変調素子を通さずに投射できるために、高い最大輝度を実現できる。

以上、本発明の投射型表示装置について詳細に説明してきたが、本発明は、投射型表示装置に限定されず、直視型表示装置、透過型表示装置等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。
また、例えば、上述した実施形態の中では、「光伝搬特性を制御する」等と使用されている「光伝搬特性」とは、特に限定していないが、例えば、光の透過特性，反射特性，屈折特性その他の伝搬特性が含まれる。

また、上述した実施形態では、１つの光反射部１８等を用いて第１光変調素子（ＤＭＤ）１１からの光を反射させて第２光変調素子１２に渡すという構成を採用しているが、これに限定されず、複数の光反射部１８を配置して複数回反射させて第２光変調素子に渡す構成にすることもできるし、また、光を反射させるミラー等ではなく、光の方向を変える手段を用いて所定の方向に光を導くように構成することもできる。

また、上述した実施形態では、第１光変調素子１１，第２光変調素子１２は、各１個ずつしか使用していないが、これに限定されず、第１光変調素子１１及び第２光変調素子１２の各々を複数個使用して光学系を構成することもできる。
また、上述した実施形態では、位相差板は、第１及び第２実施形態で波長の１／２を変化させるλ／２位相差板１５，２５，第３実施形態で波長の１／４を変化させるλ／４位相差板３５を用いたが、これに限定されず、λ／Ｎ位相差板等、より位相を様々に変えることができる位相差板を用いることもできる。

また、上述した第３実施形態では、第２光変調素子１２として、反射型液晶ライトバルブを用いたが、これに限定されず、光ビームに情報を乗せるために、電気信号を光波の強度，振幅，周波数，位相，偏光面等の変化に変換できる素子であれば、いかなる光変換素子をも使用することができる。
また、上述した実施形態では、第１光変調素子１１としてデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて説明したが、これに限定されず、光を分離する材料ならば、他の材料を用いて構成することができる。

また、上述した実施形態では、光源５０として高圧水銀等のランプ５１を用いたが、これに限定されず、光を発する様々な光源５０を用いることができる。また、同様に、均一照明部６０ａ，６０ｂとして、第一フライアイレンズ６１、第二フライアイレンズ６２、偏光変換素子６３ａ，６３ｂ、集光レンズ６４を用いたが、これに限定されず、この均一照明部６０ａ，６０ｂと同様に、光束断面における光強度分布を均一化するものであれば、他の手段を用いることもできるし、他の手段を組み合わせて均一照明部６０を構成することもできる。

本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略図である。 投射型表示装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１１，２１，３１…第１光変調素子、１２，２２，３２…第２光変調素子、２３，３３…第１リレーレンズ、２４，３４…第２リレーレンズ、１６…光合成部、１８…光反射部、１９，２９，３９…投射レンズ、２５…λ／２位相差板、２６，３６…光合成部（ＰＢＳ）、２８，３８…ミラー、３５…λ／４位相差板、５０…光源、５１…ランプ、５２…リフレクタ、６０ａ，６０ｂ…均一照明部、６１…第一フライアイレンズ、６２…第二フライアイレンズ、６３ａ，６３ｂ…偏光変換素子、６４…集光レンズ、６５…カラーホイール、７０…ＣＰＵ、７２…ＲＯＭ、７４…ＲＡＭ、７８…Ｉ／Ｆ、８０…ライトバルブ駆動装置、８２…記憶装置、７９…バス、１９９…外部ネットワーク、２００…投射型表示装置

Claims (10)

1. 光の反射特性を独立に制御可能な複数の画素を有する少なくとも１つの第１光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する少なくとも１つの第２光変調素子とを介して光源からの光を変調する光学系を備えた光学表示装置であって、
   前記第１光変調素子は、前記光源からの光のうち、与えられた制御値に応じた光量の光を第１の方向に反射し、残りの光量の光を第２の方向に反射するようになっており、
   前記第１光変調素子により分離された前記光源からの光を再び合成する光合成手段を備え、
   前記第１光変調素子が前記第１の方向に反射した反射光は、前記第２光変調素子を介して前記光合成手段に入射され、前記第１光変調素子が前記第２の方向に反射した反射光は、光変調を受けずに前記光合成手段に入射されることを特徴とする光学表示装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の方向に反射した反射光をさらに反射する光反射手段を備え、前記光反射手段で反射された光は、前記第２光変調素子を通過し、前記光合成手段に入射されて前記光合成手段の内部で全反射され、前記第２の方向に反射した反射光は、前記光合成手段に入射され前記光合成手段の内部を直進して通過するように構成されていることを特徴とする光学表示装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第１光変調素子により変調された前記第２の方向に反射した反射光の位相を変化させる位相差板を備え、前記位相差板により位相が変化した前記第２の方向に反射された反射光が、前記光合成手段に入射されることを特徴とする光学表示装置。
4. 請求項１において、
   前記第１の方向に反射した反射光は、前記光合成手段を直進して通過した後、前記光合成手段の後段に配置されている前記第２光変調素子で反射され、前記第２光変調素子で反射された反射光が前記光合成手段に戻され前記光合成手段の内部で全反射され、前記第２の方向に反射した反射光をさらに反射する光反射手段を備え、前記光反射手段で反射された光は、前記光合成手段の内部を直進して通過するように構成されていることを特徴とする光学表示装置。
5. 請求項４において、
   前記光合成手段と前記第２光変調素子との間に前記第１光変調素子で分離された前記第１の方向に反射した反射光の位相を変化させる位相差板を備え、前記位相差板により位相が変化した前記第１の方向に反射した反射光が、前記光合成手段に戻され前記光合成手段の内部で全反射されることを特徴とする光学表示装置。
6. 請求項４又は５において、
   前記第２光変調素子は、反射型液晶ライトバルブより構成されることを特徴とする光学表示装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   前記第１光変調素子は、デジタルミラーデバイスであることを特徴とする光学表示装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、
   前記光合成手段は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする光学表示装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、
   前記第１光変調素子と前記光合成手段との間で、前記第２の方向に反射した反射光の光路上に配置され、前記第１光変調素子により変調された光学像を前記光合成手段に結像する第１リレーレンズと、前記第１光変調手段と前記第２光変調素子との間に配置され、前記第１光変調素子により変調された光学像を前記第２光変調素子の画素面に結像する第２リレーレンズとを備えたことを特徴とする光学表示装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、
    前記第１光変調素子と前記第２光変調素子の対応する画素の比が、約１：１であることを特徴とする光学表示装置。

Images