JP4598409B2 - Display device and projection display device - Google Patents

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Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどに応用される表示装置及び投射表示装置に係り、特に、画素ずらし機能を有する表示装置及び投射表示装置に関する。 The present invention relates to a display device and a projection display device is applied such as head-mounted display or projector, in particular, regarding the display device and a projection display device having a pixel shift function.

ヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどに応用される表示装置や投射表示装置の多くは、画像形成手段として液晶ライトバルブと呼ばれる液晶空間光変調素子を用いている。液晶ライトバルブは微細な画素を多数配列させた一種の画像表示素子で、プロジェクタでは上記液晶ライトバルブにより画像を形成し、これを投射レンズによりスクリーンに投射するものである。液晶ライトバルブが備える画素の形状は正方形あるいは矩形をしており、サイズは１辺が１０数μｍから数十μｍである。この画素サイズが投影画像の精細度を決定しており、画素が微細であればあるほど、より高精細な投影画像を得ることができる。しかし、画素の微細化すなわち小サイズ化には、液晶ライトバルブの製造プロセス上の問題がある。また、大画面化に対応するには画素数を増大させる必要がある。   Many display devices and projection display devices applied to head mounted displays and projectors use liquid crystal spatial light modulators called liquid crystal light valves as image forming means. A liquid crystal light valve is a kind of image display element in which a large number of fine pixels are arranged. In a projector, an image is formed by the liquid crystal light valve and projected onto a screen by a projection lens. The shape of the pixel included in the liquid crystal light valve is a square or a rectangle, and the size of one side is 10 to several tens μm. This pixel size determines the definition of the projected image. The finer the pixel, the higher the definition of the projected image. However, miniaturization of pixels, that is, reduction in size, has a problem in the manufacturing process of the liquid crystal light valve. Also, it is necessary to increase the number of pixels in order to cope with a large screen.

液晶空間光変調素子である液晶ライトバルブは、透過型ライトバルブと反射型ライトバルブに大別される。透過型ライトバルブでは、画素を微細化したとしても、画素制御用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の画像形成に寄与しない部分の微細化が困難であり、画素を微細化しても、上記画像形成に寄与しない部分の面積が画素の面積に対して相対的に大きくなり、開口率が低下する難点がある。これに対して、反射型ライトバルブ（多くはシリコン基板上に形成されるので、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）と呼ばれている）では、画素電極（反射電極）の下に配線部を形成することが可能であるため、開口率あるいは反射率を向上させることができる。   Liquid crystal light valves, which are liquid crystal spatial light modulators, are roughly classified into transmissive light valves and reflective light valves. In the transmissive light valve, even if the pixel is miniaturized, it is difficult to miniaturize a portion that does not contribute to image formation, such as a pixel control thin film transistor (TFT), and even if the pixel is miniaturized, it does not contribute to the image formation. There is a problem in that the area of the portion is relatively large with respect to the area of the pixel, and the aperture ratio is reduced. On the other hand, in the reflection type light valve (which is often referred to as LCoS (Liquid Crystal on Silicon) because it is formed on a silicon substrate), a wiring portion is formed under the pixel electrode (reflection electrode). Therefore, the aperture ratio or the reflectance can be improved.

しかしながら、強誘電性液晶を用いて表面安定化構造とした場合や、ネマチック液晶を用いて垂直配向モードにした場合は、液晶層がスイッチングするためには１μｍ程度の液晶層が必要であり、１０μｍ程度の画素サイズを実現することはできる。しかし、コントラスト、階調性及び均一性などで評価される画像品質を保持したまま、それより小さい５〜７μｍ以下の画素を実現することは非常に困難である。また、液晶ライトバルブ自体のサイズを増大させて、画素数を増大する方法もあるが、これは液晶ライトバルブのコストが指数的に増大すると同時に、光学系の大きさも増大し、より一層高コストの表示装置となる。   However, in the case of a surface stabilization structure using ferroelectric liquid crystal or in a vertical alignment mode using nematic liquid crystal, a liquid crystal layer of about 1 μm is required for switching the liquid crystal layer, and 10 μm A pixel size of the order can be realized. However, it is very difficult to realize a smaller pixel of 5 to 7 μm or less while maintaining the image quality evaluated by contrast, gradation, and uniformity. There is also a method of increasing the number of pixels by increasing the size of the liquid crystal light valve itself, but this increases the cost of the liquid crystal light valve exponentially and at the same time increases the size of the optical system, further increasing the cost. Display device.

近年、プロジェクタや画像表示装置等に応用される表示装置（投射表示装置）では、大画面化や高解像度化が増々要求されているが、液晶ライトバルブ等の画像形成手段の画素数を増大する方法では、上記のように製造コストの増大や装置の大型化の問題がある。
そこで、複数のライトバルブからの投射画素をスクリーン上で適宜位置をずらして表示することによって高解像度の投射表示装置を実現することが提案されている。また、光軸のシフトや偏向を行う素子（例えば、ウォブリング素子）を使って投射画素位置を高速に移動させ、見かけ上、ライトバルブの画素数以上の投射画素数にする表示装置が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、液晶ライトバルブからの出射光を投射するときに、光軸をシフトさせる素子を設けることにより、時分割で画素を増加させ、高解像度を実現する画像表示装置が提案されている。この画像表示装置では、偏光方向を旋回できる光学素子と、複屈折効果を有する透明素子とを、光軸シフト方向を直交させて２組用いることにより、縦２倍、横２倍で合計４倍に画像を高解像度化している。また、下記の特許文献２には、光軸をシフトすることにより、画素を実質的にΔ（デルタ）配列することが可能な装置が提案されている。 In recent years, display devices (projection display devices) applied to projectors, image display devices, and the like are increasingly required to have larger screens and higher resolutions, but the number of pixels of image forming means such as liquid crystal light valves is increased. As described above, the method has a problem of an increase in manufacturing cost and an increase in size of the apparatus.
Therefore, it has been proposed to realize a high-resolution projection display device by displaying the projection pixels from a plurality of light valves while appropriately shifting the positions on the screen. In addition, a display device has been proposed in which the projection pixel position is moved at high speed using an element that shifts or deflects the optical axis (for example, a wobbling element) to make the number of projection pixels more than the number of pixels of the light valve. Yes. For example, the following Patent Document 1 discloses an image display device that realizes high resolution by increasing the number of pixels in a time division manner by providing an element that shifts the optical axis when projecting light emitted from a liquid crystal light valve. Has been proposed. In this image display device, by using two sets of an optical element capable of rotating the polarization direction and a transparent element having a birefringence effect with the optical axis shift directions orthogonal to each other, the vertical length is doubled and the horizontal width is doubled for a total of 4 times. High resolution images. Patent Document 2 below proposes an apparatus capable of substantially arranging pixels by Δ (delta) by shifting the optical axis.

なお、光軸のシフトや偏向を行うウォブリング素子としては、例えば、下記の特許文献３に記載の光学素子等がある。また、この特許文献３には、マイクロレンズアレイを用いて空間光変調素子（ライトバルブ）の画素を見かけ上小さくし、ウォブリング素子等の画素ずらし機能によって、複数のサブフレーム画像をスクリーン上で所定位置ずらして表示する表示装置が記載されている。この従来技術において、マイクロレンズアレイで画素を見かけ上小さくするのは、画素ずらし機能によってサブフレーム画像間で画素の重なりを抑えるためであり、高精細な画像を得ることを目的としている。   In addition, as a wobbling element that shifts or deflects the optical axis, for example, there is an optical element described in Patent Document 3 below. In Patent Document 3, a microlens array is used to apparently reduce the pixels of a spatial light modulation element (light valve), and a plurality of subframe images are predetermined on a screen by a pixel shifting function such as a wobbling element. A display device that displays a shifted position is described. In this prior art, the reason why the pixels are apparently reduced by the microlens array is to suppress overlapping of pixels between subframe images by the pixel shifting function, and the purpose is to obtain a high-definition image.

前述の画素ずらしを行う投射表示装置のように、複数個のライトバルブを用いて投射位置で画素をずらして高解像化を図る場合でも、ウォブリング素子等を使って画素をずらして高解像度化を図る場合でも、隣接投射画素同士の重なりが生じる。このため、１ラインを表示させるような投射画像であれば、画像のにじみが発生するという問題がある。
そこで、この問題を解消するには、画像形成手段であるライトバルブの近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する必要がある。この場合、ライトバルブの全画素を各々縮小させる光学系を通すため、例えば、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子を用いて一旦画素を小さくし、この画素縮小された画像を投射レンズでスクリーンに拡大投影する光学系が考えられる。ここで、実質的にライトバルブの画素を小さく、すなわち開口率を小さくする構造は例えば特許文献４に開示されており、これは、反射型ライトバルブにマイクロレンズを付加した反射型表示装置である。この従来技術の目的は、反射型ライトバルブの各画素に対応してマイクロレンズを付加し、反射型ライトバルブの画素間の液晶の配向不良による表示品質への悪影響を抑えることである。 Even when using a plurality of light valves to shift pixels at the projection position to achieve high resolution, such as the projection display device that performs pixel shifting, the pixels are shifted using a wobbling element to increase the resolution. Even when aiming at, the overlap of adjacent projection pixels arises. For this reason, if it is a projection image which displays 1 line, there exists a problem that the blur of an image generate | occur | produces.
Therefore, in order to solve this problem, it is necessary to arrange a reduction optical system in the vicinity of the light valve, which is an image forming unit, and reduce the size of the projection pixel so that it does not overlap with the adjacent pixel. In this case, since all the pixels of the light valve are passed through an optical system that reduces each pixel, for example, an optical element having a positive refractive power, such as a microlens array, is used to reduce the size of the pixel and project the reduced image. An optical system that magnifies and projects onto a screen with a lens can be considered. Here, a structure that substantially reduces the pixel of the light valve, that is, reduces the aperture ratio is disclosed in, for example, Patent Document 4, which is a reflective display device in which a microlens is added to a reflective light valve. . The purpose of this prior art is to add a microlens corresponding to each pixel of the reflective light valve, and to suppress adverse effects on display quality due to liquid crystal alignment failure between the pixels of the reflective light valve.

しかし、本発明者らがモンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡シミュレーションを行った結果、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子の焦点面付近に投射レンズのバックフォーカスを合わせると、投射画素はランプ光源の配光分布を反映したプロファイルとなってしまい、良好な投射画像が得られないことが分かった。
また、マイクロレンズを付加した反射型表示装置からスクリーンまでの間に画素ずらし素子を配置したとしても、隣接画素の重なりは必ずしも低減されない。 However, as a result of the non-sequential ray tracing simulation by the Monte Carlo method, the present inventors set the back focus of the projection lens near the focal plane of an optical element having a positive refractive power such as a microlens array. It was found that the profile reflected the light distribution of the lamp light source and a good projection image could not be obtained.
Even if a pixel shifting element is arranged between the reflective display device with a microlens and the screen, the overlap of adjacent pixels is not necessarily reduced.

さらに、マイクロレンズアレイを用いて画素を見かけ上小さくする場合、特に、反射型空間光変調器と偏光ビームスプリッタとの間にマイクロレンズアレイが配置される構成では、マイクロレンズアレイでの屈折時に偏光面が回転するために、マイクロレンズアレイのないプロジェクション方式に比べてコントラスト比が低下するという問題がある。すなわち、マイクロレンズアレイで光を屈折するときに、光の入射面と偏光の振動面が平行（もしくは直交）とならない光線が必ず存在する。この場合、入射光が直線偏光であっても屈折面でｐ偏光成分とｓ偏光成分がある。ｐ偏光とｓ偏光のそれぞれの透過率は異なるために屈折後の偏光面は回転される。このため、マイクロレンズアレイを通過した光は偏光状態が揃わなくなる。したがって、このような光が空間光変調器に入射されると、暗状態の場合の変調光（本来、投写レンズまで到達しない光）が光漏れを起こし表示面まで到達し、表示画像のコントラスト比を低下させていた。   Further, when the pixel is apparently reduced by using a microlens array, particularly in a configuration in which the microlens array is arranged between the reflective spatial light modulator and the polarization beam splitter, the pixel is polarized upon refraction by the microlens array. Since the surface rotates, there is a problem that the contrast ratio is lowered as compared with the projection method without the microlens array. That is, when light is refracted by the microlens array, there is always a light beam in which the light incident surface and the polarization vibration surface are not parallel (or orthogonal). In this case, even if the incident light is linearly polarized light, there are a p-polarized component and an s-polarized component on the refracting surface. Since the transmittances of p-polarized light and s-polarized light are different, the polarization plane after refraction is rotated. For this reason, the light passing through the microlens array is not aligned in the polarization state. Therefore, when such light is incident on the spatial light modulator, the modulated light in the dark state (light that originally does not reach the projection lens) leaks and reaches the display surface, and the contrast ratio of the display image Was lowering.

特開平４−１１３３０８号公報JP-A-4-113308 特開平９−２３０３２９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-230329 特許第３２３９９６９号公報Japanese Patent No. 32309969 特開平１１−２５８５８５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-258585

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、空間光変調器と、空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、画素ずらし手段を用いる表示装置または投射表示装置において、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することができる構成の表示装置または投射表示装置を提供することを目的とし、さらには、コントラスト比の高い画像表示を行うことができる表示装置または投射表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances. In a display device or a projection display device using a spatial light modulator, an optical element having an arrangement according to the pixel arrangement of the spatial light modulator, and a pixel shifting unit, an image is displayed. An object of the present invention is to provide a display device or a projection display device having a configuration capable of displaying the number of pixels that is an integral multiple of the spatial light modulator to be formed and reducing the overlap between adjacent display pixels. It shall be the object to provide a display device or a projection display device capable of displaying an image having a high specific.

上記目的を達成するための解決手段として、本発明は以下のような特徴を有するものである。
［１］．放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、前記面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、前記面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかであることを特徴とする（請求項１）。 As means for achieving the above object, the present invention has the following features.
[1]. A light source that emits radiated light; illumination means that uniformly illuminates light emitted from the light source; a spatial light modulator that forms an image with pixels arranged in an array; and a pixel array of the spatial light modulator. Pixel shift for performing control to optically shift the optical path of the image light formed by the spatial light modulator formed by the spatial light modulator and passing through the optical element by a predetermined amount in synchronization with the spatial light modulator And the optical element converts a light distribution of each pixel of the spatial light modulator into an illuminance distribution, and the pixel shifting means is synchronized with the spatial light modulator. In the display device that displays an image having an integer multiple of the resolution of the spatial light modulator by optically shifting the optical path of the light having the illuminance distribution, the spatial light modulator is a reflective spatial light modulator. There, the optical element Is a lens array for converting the light distribution of each pixel consists of a lens array corresponding to the pixel arrangement on the illuminance distribution, the lens array is disposed immediately before the spatial light modulator, from said illuminating means and illumination light toward the spatial light modulator, passes through the lens array from the spatial light modulator has a polarization separating means for separating the image light toward the pixel shifting means, the polarization separator When the surface including the optical axis of the incident illumination light and the optical axis of the image light whose optical path is changed by the polarization separating means is a surface A, the lens surface with respect to the distance from the center of each lens of the lens array the inclination, the inclination of the angle of 45 degree direction or 135 degree direction of the surface a, characterized in that it is gradual than in a direction parallel or perpendicular to the direction of inclination to the surface a (claim 1).

［２］．放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値であることを特徴とする（請求項２）。 [2]. A light source that emits radiated light; illumination means that uniformly illuminates light emitted from the light source; a spatial light modulator that forms an image with pixels arranged in an array; and a pixel array of the spatial light modulator. Pixel shift for performing control to optically shift the optical path of the image light formed by the spatial light modulator formed by the spatial light modulator and passing through the optical element by a predetermined amount in synchronization with the spatial light modulator And the optical element converts a light distribution of each pixel of the spatial light modulator into an illuminance distribution, and the pixel shifting means is synchronized with the spatial light modulator. In the display device that displays an image having an integer multiple of the resolution of the spatial light modulator by optically shifting the optical path of the light having the illuminance distribution, the spatial light modulator is a reflective spatial light modulator. There, the optical element Is a lens array for converting the light distribution of each pixel consists of a lens array corresponding to the pixel arrangement on the illuminance distribution, the lens array is disposed immediately before the spatial light modulator, from said illuminating means and illumination light toward the spatial light modulator, passes through the lens array from the spatial light modulator has a polarization separating means for separating the image light toward the pixel shifting means, the polarization separator when the surface including the optical axis of the image light that has been changed optical path, was used as a surface a with the optical axis and the polarization separator of the illumination light entering the lens shape of each lens of the lens array, the surface a conic constant angle of the cross-sectional direction of 45 degrees in the cross-sectional direction or 135 degrees and is characterized in that it is a smaller value than the conic constant of the parallel cross-sectional direction or vertical cross-sectional direction on the plane a ( Claim 2).

［３］．放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値であることを特徴とする（請求項３）。 [3]. A light source that emits radiated light; illumination means that uniformly illuminates light emitted from the light source; a spatial light modulator that forms an image with pixels arranged in an array; and a pixel array of the spatial light modulator. Pixel shift for performing control to optically shift the optical path of the image light formed by the spatial light modulator formed by the spatial light modulator and passing through the optical element by a predetermined amount in synchronization with the spatial light modulator And the optical element converts a light distribution of each pixel of the spatial light modulator into an illuminance distribution, and the pixel shifting means is synchronized with the spatial light modulator. In the display device that displays an image having an integer multiple of the resolution of the spatial light modulator by optically shifting the optical path of the light having the illuminance distribution, the spatial light modulator is a reflective spatial light modulator. There, the optical element Is a lens array for converting the light distribution of each pixel consists of a lens array corresponding to the pixel arrangement on the illuminance distribution, the lens array is disposed immediately before the spatial light modulator, from said illuminating means and illumination light toward the spatial light modulator, passes through the lens array from the spatial light modulator has a polarization separating means for separating the image light toward the pixel shifting means, the polarization separator when the surface including the optical axis of the image light that has been changed optical path, was used as a surface a with the optical axis and the polarization separator of the illumination light entering the lens shape of each lens of the lens array, the surface a curvature angle of 45 degrees in the cross-sectional direction or 135 degrees in the cross-sectional direction of the radius, characterized in that it is a larger value than the radius of curvature of the cross section parallel or vertical cross section direction to the surface a ( Claim 3).

［４］．表示手段からの画像光を投射手段によって被投射面に投射して画像表示する投射表示装置において、前記表示手段として［１］〜［３］の何れか一つに記載の表示装置を備え、該表示装置の画素ずらし手段の後に前記投射手段を配備したことを特徴とする（請求項４）。 [4] . In a projection display device for projecting image light from a display unit onto a projection surface by a projection unit, the display unit includes the display device according to any one of [1] to [3] , The projection means is arranged after the pixel shifting means of the display device (claim 4 ).

本発明に係る表示装置では、空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段とを用い、前記光学素子は空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、
前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示するので、空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することが可能となる。 In the display device according to the present invention, the optical elements arranged in accordance with the pixel arrangement of the spatial light modulator and the optical path of the image light formed by the spatial light modulator and passing through the optical element are synchronized with the spatial light modulator. using the pixel shifting means performs control to shift by optically predetermined amount Te, the optical element is adapted to convert the light distribution of each pixel of the spatial light modulator in the illumination distribution,
Since an image having a resolution that is an integral multiple of the spatial light modulator is displayed by optically shifting the light path of the illuminance distribution light by the pixel shifting means in synchronization with the spatial light modulator, integral multiple of the can display the number of pixels, and that Do is possible to reduce the overlap between the display adjacent pixels.

前記解決手段の［１］に記載の表示装置では、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、前記面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、前記面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかであることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。 In the display device according to [1] of the solving means, the spatial light modulator is a reflective spatial light modulator, and the optical element includes lenses arranged in accordance with the pixel arrangement, and each pixel is arranged. A lens array for converting a light distribution into an illuminance distribution, the lens array being disposed immediately before the spatial light modulator, and illumination light directed from the illumination means toward the spatial light modulator; and the spatial light modulator the lens passes through the array has a polarization separating means for separating the image light toward the pixel shifting means, the optical path in the optical axis and the polarization separator of the illumination light incident on the polarization separator from plane including the optical axis of the altered image light, when was the surface a, the inclination of the lens surface to the distance from the center of each lens of the lens array, the angle between the surface a is 45 degree direction or 135-degree direction of the slope, By a gradual than in a direction parallel or perpendicular to the direction of tilt in serial surface A, depolarization can be reduced, it is possible to display a high contrast ratio.

［２］に記載の表示装置では、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値であることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。 In the display device according to [2] , the spatial light modulator is a reflective spatial light modulator, and the optical element includes lenses arranged in accordance with the pixel arrangement, and the light distribution of each pixel is represented by illuminance. A lens array for conversion into a distribution, the lens array being disposed immediately before the spatial light modulator, and illumination light directed from the illumination means to the spatial light modulator, and from the spatial light modulator to the lens array passes through a polarization separating means for separating the image light toward the pixel shifting means, the illumination light of an image that has been changed optical path in the optical axis and the polarization separator entering said polarization separator when the surface including the optical axis of the light, was used as a surface a, the lens shape of each lens of the lens array, conic constant in the cross-sectional direction of the angle is 45 degrees in the cross-sectional direction or 135 degrees with the plane a is , parallel to the plane a cross By a small value as compared with the conic constant direction or cross section perpendicular direction, depolarization can be reduced, it is possible to display a high contrast ratio.

［３］に記載の表示装置では、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値であることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。 In the display device according to [3], the spatial light modulator is a reflective spatial light modulator, the optical element, the illumination light distribution of each pixel consists of a lens array corresponding to the pixel array A lens array for conversion into a distribution, the lens array being disposed immediately before the spatial light modulator, and illumination light directed from the illumination means to the spatial light modulator, and from the spatial light modulator to the lens array passes through a polarization separating means for separating the image light toward the pixel shifting means, the illumination light of an image that has been changed optical path in the optical axis and the polarization separator entering said polarization separator when the surface including the optical axis of the light, was used as a surface a, the lens shape of each lens of the lens array, the angle between the surface a is 45 degrees in the cross-sectional direction or 135 degrees in the cross-sectional direction of the radius of curvature , the cross-sectional direction parallel to the surface a By others are larger value than the radius of curvature of the cross section perpendicular direction, depolarization can be reduced, it is possible to display a high contrast ratio.

［４］に記載の投射表示装置では、表示手段として［１］〜［３］の何れか一つに記載の表示装置を備え、該表示装置の画素ずらし手段の後に前記投射手段を配備したことにより、［１］〜［３］の何れかと同様の効果を有する投射表示装置が得られる。

 In the projection display device according to [4] , the display device according to any one of [1] to [3] is provided as a display unit, and the projection unit is arranged after the pixel shifting unit of the display device. Thus, a projection display device having the same effect as any one of [1] to [3] is obtained.

以下、本発明の構成、動作及び作用を図面を参照して詳細に説明する。
アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器としては、例えば透過型や反射型の液晶ライトバルブが有名であり、液晶ライトバルブを用いた表示装置や投射表示装置としては、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）や液晶プロジェクタなどがある。
一例として、液晶プロジェクタの基本構成は、光源としてのランプと、ランプからの光を液晶ライトバルブに均一に照明するための照明光学系と、液晶ライトバルブの画像を拡大投影するための投射レンズからなる。液晶プロジェクタに用いるランプとしては、通常、放電ランプが使われる。この放電ランプとしては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプなどが使われている。 Hereinafter, the configuration, operation and action of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As a spatial light modulator that forms an image with pixels arranged in an array, for example, a transmissive or reflective liquid crystal light valve is well known. As a display device or projection display device using a liquid crystal light valve, a head There are a mount display (HMD) and a liquid crystal projector.
As an example, the basic configuration of a liquid crystal projector includes a lamp as a light source, an illumination optical system for uniformly illuminating the light from the lamp on the liquid crystal light valve, and a projection lens for enlarging and projecting the image of the liquid crystal light valve. Become. As a lamp used in a liquid crystal projector, a discharge lamp is usually used. As this discharge lamp, a metal halide lamp, an ultra-high pressure mercury lamp, a xenon lamp or the like is used.

これらの放電ランプには電極があるため、反射鏡付き放電ランプの配光分布は図３に示すように、放射角０°付近が窪んだ形状になる。さらに具体的には、ランプの反射鏡が回転放物面（パラボラ）タイプであり、図３の横軸は反射鏡付きランプからの放射光角度θを表し、縦軸はその放射光の強度（相対強度）Ｉ(θ)を示している。以後、図３のように、ある面への入射角度に対する光の強度分布を「配光分布」と呼ぶことにする。また、反射鏡付きランプ光は放射後のある面内の輝度分布（以後、「照度分布」と呼ぶ）も不均一である。図４は一般的なランプ直後の照度分布を示しており、同図（ａ）は回転放物面鏡付きランプの照度分布、同図（ｂ）は回転楕円鏡付きランプの照度分布である。   Since these discharge lamps have electrodes, the light distribution of the discharge lamp with a reflecting mirror has a concave shape near the radiation angle of 0 °, as shown in FIG. More specifically, the reflecting mirror of the lamp is a parabolic type, the horizontal axis of FIG. 3 represents the radiation angle θ from the lamp with the reflecting mirror, and the vertical axis represents the intensity of the emitted light ( Relative intensity) I (θ). Hereinafter, as shown in FIG. 3, the light intensity distribution with respect to the incident angle on a certain surface is referred to as a “light distribution”. In addition, the lamp light with a reflecting mirror has a non-uniform luminance distribution (hereinafter referred to as “illuminance distribution”) in a certain plane after emission. FIG. 4 shows an illuminance distribution immediately after a general lamp. FIG. 4A shows an illuminance distribution of a lamp with a rotating paraboloid mirror, and FIG. 4B shows an illuminance distribution of a lamp with a spheroid mirror.

放電ランプは図４（ａ），（ｂ）のように不均一な照度分布を有するために均一照明光学系を必要とする。この均一照明光学系としてはロッドインテグレータ（カライドスコープ）やフライアイレンズインテグレータが用いられる。ロッドインテグレータ（カライドスコープ）は液晶ライトバルブのアスペクト比（有効画素面の縦・横の比）と同じ値の開口を有する直方体の透光性材料からなる光学素子で、ランプ光をレンズなどで収斂させてロッドインテグレータの片側の端面に入射させる。ロッドインテグレータの側面で多重反射が繰り返されて出射側端面で輝度分布が均一化される。輝度分布は面内の照度分布と言い換えても良い。また、リレーレンズを用いてロッドインテグレータの出射側端面を液晶ライトバルブに結像させることによって、均一照明にすることができる。   Since the discharge lamp has a non-uniform illumination distribution as shown in FIGS. 4A and 4B, a uniform illumination optical system is required. As this uniform illumination optical system, a rod integrator (Kalidoscope) or a fly-eye lens integrator is used. A rod integrator (Kalidoscope) is an optical element made of a rectangular parallelepiped translucent material that has an aperture with the same value as the aspect ratio of the liquid crystal light valve (the ratio between the vertical and horizontal effective pixel planes). It is converged and incident on one end face of the rod integrator. Multiple reflection is repeated on the side surface of the rod integrator, and the luminance distribution is made uniform on the exit side end surface. The luminance distribution may be rephrased as an in-plane illuminance distribution. Moreover, uniform illumination can be achieved by forming an image on the liquid crystal light valve on the exit end face of the rod integrator using a relay lens.

均一化照明光学系でフライアイレンズインテグレータは、通常、液晶ライトバルブのアスペクト比と同じレンズがアレイ状に配列される蝿の目レンズ（レンズアレイ）を２組と、コンデンサレンズとの組合せによって構成される。具体的には一つ目のレンズアレイの像側焦点位置に二つ目のレンズアレイを配置する。そして、二つ目のレンズアレイ直後にコンデンサレンズが配置され、このコンデンサレンズの像面焦点位置近傍に液晶ライトバルブを設置する。一つ目のレンズアレイ面では、配光分布も輝度分布も不均一であるが、一つ目のレンズアレイで分割されたランプ光束は各々が液晶ライトバルブを照明する。このため、レンズアレイのアレイ数が多いほど液晶ライトバルブでの「照度分布」が良好に均一化される。なお、液晶ライトバルブは、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）に代表されるＭＥＭＳ技術を用いた空間光変調器であっても良い。
いずれの均一照明光学系も、反射鏡付きランプからの放射光が放射直後の面での照度分布の不均一を空間光変調器の面で均一化させる働きを有する。 In a uniform illumination optical system, a fly-eye lens integrator is usually composed of a combination of two eyelet lenses (lens arrays) in which lenses with the same aspect ratio as the liquid crystal light valve are arranged in an array, and a condenser lens. Is done. Specifically, the second lens array is arranged at the image side focal position of the first lens array. A condenser lens is disposed immediately after the second lens array, and a liquid crystal light valve is installed in the vicinity of the focal position of the image plane of the condenser lens. On the first lens array surface, the light distribution and the luminance distribution are non-uniform, but each of the lamp beams divided by the first lens array illuminates the liquid crystal light valve. For this reason, as the number of lens arrays increases, the “illuminance distribution” in the liquid crystal light valve becomes more uniform. The liquid crystal light valve may be a spatial light modulator using a MEMS technology represented by DMD (digital micromirror device).
Any of the uniform illumination optical systems has a function of making the non-uniformity of the illuminance distribution on the surface immediately after the radiated light from the lamp with the reflecting mirror uniform on the surface of the spatial light modulator.

一方、ヘッドマウントディスプレイなどの表示装置では、光源にＬＥＤ（発光ダイオード）などの固体光源が用いられることが多い。ＬＥＤ光源もその出射光は照度分布が均一ではない。表示装置の小型化のために均一照明手段を省略する場合が多いが、表示面で明るさを均一にする要求がある場合には前述の均一照明光学系などを用いる必要がある。   On the other hand, in a display device such as a head mounted display, a solid light source such as an LED (light emitting diode) is often used as the light source. The illuminance distribution of the LED light source is not uniform. In order to reduce the size of the display device, the uniform illumination unit is often omitted. However, when there is a demand for uniform brightness on the display surface, the above-described uniform illumination optical system or the like needs to be used.

次に本発明の基本的な動作について説明する。
表示装置の解像度（表示画素数）を向上するには液晶ライトバルブに代表される空間光変調器の画素数を増やす必要がある。しかし、液晶ライトバルブの画素数向上は現状で作製可能な最小画素ピッチで制限される。画素ピッチが一定であれば必然的に液晶ライトバルブの外形サイズを大きくして画素数向上を図るしかない。液晶ライトバルブは透過型では２枚の透光性基板（ガラス）が使われるため、形状を大きくするとガラス母材からの取り数が減るため、製品単価が上昇する。このため、背景技術で述べたように、液晶ライトバルブと画素ずらし素子を用いた高精細表示装置が提案されている。ここでは、一例として画素ずらし素子で水平方向に２つの光軸変化を発生させる場合について記述する。 Next, the basic operation of the present invention will be described.
In order to improve the resolution (display pixel number) of the display device, it is necessary to increase the number of pixels of a spatial light modulator typified by a liquid crystal light valve. However, the improvement in the number of pixels of the liquid crystal light valve is limited by the minimum pixel pitch that can be produced at present. If the pixel pitch is constant, there is no choice but to increase the external size of the liquid crystal light valve to improve the number of pixels. Since the liquid crystal light valve is a transmissive type and uses two translucent substrates (glass), the larger the shape, the fewer the number of glass base materials that can be taken, thus increasing the unit price of the product. For this reason, as described in the background art, a high-definition display device using a liquid crystal light valve and a pixel shifting element has been proposed. Here, a case where two optical axis changes are generated in the horizontal direction by a pixel shifting element will be described as an example.

液晶ライトバルブは、最終的に表示したい画像を、水平方向に奇数画素と偶数画素を高速にスイッチングする。この液晶ライトバルブに同期して画素ずらし素子は画素から放射される光の光軸をシフトさせる。画素ずらし素子としては、平行平板のあおり量を２種類、高速にスイッチングさせることで実現できる。すなわち、液晶ライトバルブの画素からの光を画素ピッチの半分の量だけ画素ずらし素子で光学的変位を与えている。さらに、鉛直方向と水平方向をそれぞれ２段階画素をずらす場合には、平行平板からなる画素ずらし素子を、あおり方向を２通りで、かつ、各々２段階のあおり量とする。これにより、鉛直方向と水平方向に画素ピッチの半分の距離だけ光学変位を与えることができる。そして、画素ずらし素子と液晶ライトバルブの同期をとって、４つのサブフレーム画像を表示させる。鉛直と水平の合計４通りの光学変位と液晶ライトバルブの４枚のサブフレームで、１枚の高精細な画像を表示することができる。なお、画素ずらし素子としては、平行平板の組み合せの他、液晶を用いた光偏向素子なども用いることができる。   The liquid crystal light valve switches an odd-numbered pixel and an even-numbered pixel in the horizontal direction at high speed for an image to be finally displayed. The pixel shifting element shifts the optical axis of the light emitted from the pixel in synchronization with the liquid crystal light valve. The pixel shifting element can be realized by switching two kinds of parallel plate tilt amounts at high speed. That is, the light from the pixels of the liquid crystal light valve is optically displaced by the pixel shifting element by an amount that is half the pixel pitch. Further, when shifting the two-stage pixels in the vertical direction and the horizontal direction, the pixel shifting element formed of a parallel plate has two tilt directions and a two-stage tilt amount for each. Thereby, an optical displacement can be given by a distance half the pixel pitch in the vertical direction and the horizontal direction. Then, four sub-frame images are displayed in synchronization with the pixel shift element and the liquid crystal light valve. One high-definition image can be displayed with a total of four optical displacements, vertical and horizontal, and four sub-frames of the liquid crystal light valve. In addition to the combination of parallel plates, an optical deflection element using liquid crystal can be used as the pixel shifting element.

ところで、前述の液晶ライトバルブと画素ずらし素子との組合せだけでは厳密に高精細とはならない。なぜなら液晶ライトバルブの半分の画素ピッチを画素ずらし素子で光学的に変位させるため、隣接する表示画素の一部同士が重なるからである。このため、隣接画素の重なりを無くすことが必要であるが、これは液晶ライトバルブの各画素の開口率が５０％になれば、この重なりを無くすことができる。画素ピッチの小さい透過型液晶ライトバルブのように、元々開口率が小さい空間光変調器も存在するが、画素の開口率が小さいと表示装置の光利用効率が小さくなり、表示画像が暗くなる。従って、表示画像の明るさを保ちながら開口率を小さくする手段が必要となるが、この手段としてはライトバルブの開口率を光学的に小さくすることができる光学素子を用いれば良い。   By the way, the combination of the above-described liquid crystal light valve and the pixel shifting element alone does not strictly provide high definition. This is because a half of the pixel pitch of the liquid crystal light valve is optically displaced by the pixel shifting element, so that some of the adjacent display pixels overlap each other. For this reason, it is necessary to eliminate the overlapping of adjacent pixels. This can be eliminated if the aperture ratio of each pixel of the liquid crystal light valve is 50%. Some spatial light modulators originally have a small aperture ratio, such as a transmissive liquid crystal light valve with a small pixel pitch. However, if the pixel aperture ratio is small, the light utilization efficiency of the display device decreases and the display image becomes dark. Therefore, a means for reducing the aperture ratio while maintaining the brightness of the display image is required. As this means, an optical element that can optically reduce the aperture ratio of the light valve may be used.

画素のサイズを縮小するにはライトバルブの画素ピッチに対応して、かつ正の屈折パワーを有する光学系（光学素子）を用いる方法がある。正の屈折パワーを有する光学系としては、マイクロレンズアレイや凹面ミラーアレイなどを用いることができる。これらの光学系の焦点面では、ライトバルブの照明角度分布が強度分布となって現れる。現在、投射表示装置の光源としては前述したようにメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられることが多く、これらのランプの光強度の配光分布は、ランプ管球内の電極の影のため、放射角が０度の方向でピークにはならず、図３に示したような光強度の配光分布を示す。したがって、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系の焦点面に一致させると、投射画素の強度分布も図３に似た分布となってしまう。
そこで本発明者らは先に、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系（光学素子）の焦点面よりもライトバルブ側に位置させる構成を提案した（特願２００３−３８５３６号）。この配置構成により、投射ピッチに対して投射画素サイズを小さくできるにもかかわらず、投射画素プロファイルはランプ配向分布の影響を低減することができる。さらに、隣接投射画素へは小さい相対強度で重なっており、投射画像の硬さ（シャープさ）が低減されるので、見やすい画像になる。 In order to reduce the pixel size, there is a method using an optical system (optical element) corresponding to the pixel pitch of the light valve and having a positive refractive power. As an optical system having positive refractive power, a microlens array, a concave mirror array, or the like can be used. On the focal plane of these optical systems, the illumination angle distribution of the light valve appears as an intensity distribution. Currently, as described above, discharge lamps such as metal halide lamps and ultra-high pressure mercury lamps are often used as light sources for projection display devices, and the light distribution of these lamps is determined by the distribution of the electrodes in the lamp tube. Because of the shadow, the emission angle does not peak in the direction of 0 degree, and the light distribution of light intensity as shown in FIG. 3 is shown. Therefore, when the object plane of the projection lens is made coincident with the focal plane of the optical system having a positive refractive power, the intensity distribution of the projection pixel also becomes a distribution similar to FIG.
Therefore, the present inventors previously proposed a configuration in which the object plane of the projection lens is positioned closer to the light valve than the focal plane of the optical system (optical element) having positive refractive power (Japanese Patent Application No. 2003-38536). . Although this arrangement configuration can reduce the projection pixel size with respect to the projection pitch, the projection pixel profile can reduce the influence of the lamp orientation distribution. Furthermore, since it overlaps with an adjacent projection pixel with small relative intensity and the hardness (sharpness) of a projection image is reduced, it becomes an easy-to-view image.

ところが、マイクロレンズアレイの屈折面が球面形状とは著しく異なる非球面形状となった場合、例えば、アレイ中心の焦点位置と周辺部の焦点位置が大きく異なる場合には、上記の配置が成立しなくなる。
そこで、本発明では、マイクロレンズアレイや凹面ミラーアレイなどの光学素子の面形状が球面形状でも非球面形状であっても、隣接画素間の重なりを低減した高精細な表示が可能な表示装置（投射表示装置）を提供するものである。 However, when the refracting surface of the microlens array has an aspherical shape that is significantly different from the spherical shape, for example, when the focal position at the center of the array and the focal position at the peripheral portion are significantly different, the above arrangement cannot be established. .
Therefore, in the present invention, even if the surface shape of an optical element such as a microlens array or a concave mirror array is spherical or aspherical, a display device capable of high-definition display with reduced overlap between adjacent pixels ( Projection display device).

次にレンズによってコントラスト比が低下する現象について図５を用いて説明する。図５（ａ）に示すように、レンズ５０に直線偏光５２（ｙ軸方向に振動面をもつ）の光５１がレンズの光軸（ｚ軸）に沿って入射する。ｘ軸から４５度の方位５３で入射した時、入射面と偏光面は４５度傾いている。レンズ面Ａで光が屈折する際、図５（ｂ）に示すｐ偏光成分とｓ偏光成分の透過率はわずかに異なるために、屈折された光は図５（ｃ）に示すようにｙ軸からαだけ偏光面が回転される。この回転量は図５（ａ）でｘ軸上とｙ軸上ではα＝０で回転されない。ｘ軸からの方位が４５度のとき最もαが大きくなり、かつ、レンズの周辺に向かうほどαは大きくなる。この偏光回転（偏光解消）が起きると、空間光変調器への入射光が光線毎に偏光面が異なるため、偏光性の悪い入射光となり、また、画像光がレンズアレイを通過するときもこの偏光解消のために偏光性がさらに悪くなる。
そこで本発明では、隣接画素間の重なりを低減するとともに、レンズアレイ等の光学素子によるコントラスト比の低下が抑制された表示装置（投射表示装置）を提供するものである。 Next, the phenomenon that the contrast ratio is lowered by the lens will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5A, linearly polarized light 52 (having a vibrating surface in the y-axis direction) 51 enters the lens 50 along the optical axis (z-axis) of the lens. When the light is incident at an azimuth 53 of 45 degrees from the x-axis, the incident plane and the polarization plane are inclined 45 degrees. When light is refracted on the lens surface A, the transmittance of the p-polarized component and the s-polarized component shown in FIG. 5B is slightly different, so that the refracted light has a y-axis as shown in FIG. 5C. The plane of polarization is rotated by α. This rotation amount is not rotated at α = 0 on the x-axis and the y-axis in FIG. When the azimuth from the x-axis is 45 degrees, α is the largest, and α is larger toward the periphery of the lens. When this polarization rotation (depolarization) occurs, the incident light to the spatial light modulator has different polarization planes for each light beam, resulting in incident light with poor polarization, and also when image light passes through the lens array. The polarization becomes worse due to depolarization.
Therefore, the present invention provides a display device (projection display device) in which an overlap between adjacent pixels is reduced and a decrease in contrast ratio due to an optical element such as a lens array is suppressed.

ここで、液晶ライトバルブの各画素をマイクロレンズアレイによって見かけ上、画素形状を小さくする動作を図２を用いて説明する。符号１３は２枚のガラス基板２１，２２の間に液晶層２０を封入した液晶ライトバルブを表しており、２３は液晶ライトバルブの画素である。液晶ライトバルブの近傍にはライトバルブの画素ピッチに対応するマイクロレンズアレイ（以下、レンズアレイと記す）１４が配置される。また、液晶ライトバルブ１３は図示しない均一照明によって照度が均一化されている。しかし、画素面の照明光には光源に固有の配光分布特性を保持している。ただし、ランプ光源の光束を絞った照明光学系を採用すると、液晶ライトバルブ上では図３の横軸が伸びたような配光分布となる。逆にランプ光束を広げた場合には図３の横軸が圧縮された特性になる。さて、図２にもどり、図３のような配光分布を有する画素からの光をレンズアレイ１４をへて絞る。レンズアレイ１４は液晶画素に近接されるため、フィールドレンズに近いは働きをもつ。このため、画素２３の配光分布形状がレンズ焦点位置２５付近では図６に示すような照度分布（図３で横軸を位置ｘに、縦軸を輝度I（ｘ）にそれぞれ置き換えた分布形状）となる。しかし、面２５では照度分布の裾野付近（２３ａ，２３ｃ）が広がり、液晶ライトバルブ１３の隣接画素へ光がまわり込むため高精細な画像とはならない。ただし、焦点付近からレンズアレイ側の手前の位置２４であっても、照度分布は液晶ライトバルブの画素面の配光分布にかなり似た図６に示すような照度分布が得られる。また、この位置２４では隣接画素への光のまわり込みが少ない。したがって、位置２４の面を見ると（または投射レンズで投影すると）、あたかも画素２３が縮小されたかのような照度分布となる。   Here, an operation of apparently reducing each pixel shape of the liquid crystal light valve by the microlens array will be described with reference to FIG. Reference numeral 13 denotes a liquid crystal light valve in which the liquid crystal layer 20 is sealed between two glass substrates 21 and 22, and reference numeral 23 denotes a pixel of the liquid crystal light valve. A microlens array (hereinafter referred to as a lens array) 14 corresponding to the pixel pitch of the light valve is disposed in the vicinity of the liquid crystal light valve. Further, the illuminance of the liquid crystal light valve 13 is made uniform by uniform illumination (not shown). However, the illumination light on the pixel surface retains the light distribution characteristic inherent to the light source. However, when an illumination optical system that narrows the luminous flux of the lamp light source is employed, the light distribution is such that the horizontal axis of FIG. 3 extends on the liquid crystal light bulb. On the contrary, when the lamp luminous flux is expanded, the horizontal axis in FIG. 3 has a compressed characteristic. Now, returning to FIG. 2, the light from the pixels having the light distribution as shown in FIG. Since the lens array 14 is close to the liquid crystal pixels, the lens array 14 has a function close to a field lens. Therefore, when the light distribution distribution shape of the pixel 23 is near the lens focal position 25, the illuminance distribution as shown in FIG. 6 (distribution shape in which the horizontal axis in FIG. 3 is replaced with the position x and the vertical axis is replaced with the luminance I (x), respectively. ) However, the vicinity of the illuminance distribution (23a, 23c) spreads on the surface 25, and light wraps around adjacent pixels of the liquid crystal light valve 13, so that a high-definition image is not obtained. However, even at the position 24 on the lens array side from the vicinity of the focal point, the illuminance distribution can be obtained as shown in FIG. 6, which is quite similar to the light distribution on the pixel surface of the liquid crystal light valve. Further, at this position 24, light sneak into adjacent pixels is small. Therefore, when the surface of the position 24 is viewed (or projected by the projection lens), the illuminance distribution is as if the pixel 23 is reduced.

なお、符号２４の位置は、ランプ等の点光源により作られた平行光の照明光を液晶ライトバルブ１３に照射した場合に、レンズアレイ１４で配光分布を照度分布に変換する理想的な位置と考えられるが、体積を持った光源により作られた擬似平行光（±数度〜１０数度の光線を含む）で液晶ライトバルブを照射した場合は、それよりレンズアレイ側に最適位置があることをシミュレーションで確認した。
また、レンズアレイ１４のレンズ形状が非球面で、かつ、近軸焦点距離が短くて（概ねアレイピッチの３倍以下の焦点距離で）レンズ周辺の屈折力がレンズ中心付近より弱い（すなわちレンズ傾斜角が小さい）場合には、レンズアレイの焦点付近で配光分布が照度分布に変換される。この場合、焦点位置２５よりも画素ずらし素子側（図２で焦点位置２５の面より右側）でも配光分布が照度分布に変換される。
したがって、レンズアレイや凹面ミラーアレイなどの面形状を工夫することにより、配光分布が照度分布に変換される位置を調整でき、画素を縮小する効果が得られ、また、偏光解消の低減も図ることができ、高コントラスト比の画像表示が可能になる。 In addition, the position of the code | symbol 24 is an ideal position which converts the light distribution distribution into an illuminance distribution by the lens array 14 when the liquid crystal light valve 13 is irradiated with parallel illumination light produced by a point light source such as a lamp. However, when the liquid crystal light valve is irradiated with pseudo-parallel light (including light of ± several degrees to several tens of degrees) created by a light source having a volume, there is an optimal position on the lens array side. This was confirmed by simulation.
In addition, the lens shape of the lens array 14 is an aspherical surface, and the paraxial focal length is short (approximately at a focal length less than three times the array pitch), so that the refractive power around the lens is weaker than that near the lens center (that is, the lens tilt). If the angle is small), the light distribution is converted into an illuminance distribution near the focal point of the lens array. In this case, the light distribution is converted into the illuminance distribution on the pixel shifting element side from the focal position 25 (on the right side of the focal position 25 in FIG. 2).
Therefore, by devising the surface shape of the lens array, concave mirror array, etc., the position where the light distribution is converted to the illuminance distribution can be adjusted, the effect of reducing the pixels can be obtained, and depolarization can also be reduced. Therefore, it is possible to display an image with a high contrast ratio.

以下、具体的な実施例に基いて本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific examples.

［実施例１］
図１は本発明の第１の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置１０は、光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、レンズ１２と、空間光変調器としての透過型液晶素子（透過型液晶ライトバルブ）１３と、レンズアレイ１４と、画素ずらし素子１５から構成されている。また、符号１６は観測者を表わしている（観測者の目のみ図示している）。ＬＥＤ１１から放射された光Ｌは、レンズ１２の物体側焦点面にＬＥＤ１１の発光部を配置させるようにすることで、ほぼ平行光となる。また、この平行光の配光分布は図７に示すようになるが、レンズ１２の直径（レンズ径）を制限することで、この平行光は図８に示すＬＥＤ照度分布のほぼ均一な領域４１のみを透過型液晶ライトバルブ１３に入射させることができる。従って、レンズ１２は均一照明光学系といえる。光源の照度が不均一な部分を利用しない本構成は光利用効率を犠牲にするが、表示装置の小型化、低コスト化に貢献することができる。 [Example 1]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a display device for explaining a first embodiment of the present invention. The display device 10 includes an LED (light emitting diode) 11 as a light source, a lens 12, a transmissive liquid crystal element (transmissive liquid crystal light valve) 13 as a spatial light modulator, a lens array 14, and a pixel shifting element 15. It is composed of Reference numeral 16 represents an observer (only the eyes of the observer are shown). The light L emitted from the LED 11 becomes substantially parallel light by arranging the light emitting portion of the LED 11 on the object-side focal plane of the lens 12. Further, the light distribution distribution of the parallel light is as shown in FIG. 7, but by limiting the diameter of the lens 12 (lens diameter), the parallel light has a substantially uniform region 41 of the LED illuminance distribution shown in FIG. Only can be incident on the transmissive liquid crystal light valve 13. Therefore, the lens 12 can be said to be a uniform illumination optical system. This configuration that does not use the portion where the illuminance of the light source is not uniform sacrifices the light use efficiency, but can contribute to downsizing and cost reduction of the display device.

透過型液晶ライトバルブ１３で作られた画像光は、液晶ライトバルブの画素ピッチと同じアレイピッチを有するレンズアレイ１４に入射される。図２は液晶ライトバルブの近傍に配置したレンズアレイ１４の動作について説明するための図であり、透過型液晶ライトバルブ１３とレンズアレイ１４の部分のみ拡大して図示している。液晶ライトバルブ１３は２枚のガラス基板７１，７２に液晶層７０が封止されている。図２では図示を省略しているが、ガラス基板７１，７２と液晶層７０との間には透明電極や配向膜が配置されている。また、一般的には透過型液晶ライトバルブの両方のガラス基板７１，７２の外側には偏光板が配置される（図２では図示を省略）。ある画素７３が明表示となったとき、画素７３から放射される光のうち、代表的な三カ所からの光を図２に図示している。符号２３ａは画素の端（図２では画素の上側）からの光を表し、同様に、２３ｂは画素の中央からの光を、また、２３ｃは画素下側からの光を表している。液晶ライトバルブ１３を物体面としレンズアレイ１４のレンズ１４ａによって結像される面２５よりレンズアレイ側の面２４の照度分布は図７に非常に似た分布形状となる。これは、レンズ１４ａがフィールドレンズ（視野レンズ）の役割を果たしているためである。レンズアレイ１４を液晶ライトバルブ１３に近づけて配置しており、レンズ１４ａでの照度分布は図８の領域４１のようにほぼ均一な分布であり、かつ、レンズ１４ａに入射する光の配光分布は図７とほぼ一致する。レンズ１４ａの像側焦点面（図２の面２５）では、レンズ１４ａ面の配光分布形状が照度分布に変換される。従って、面２４の照度分布は図９の分布形状となる。レンズアレイ１４のアレイピッチ内で図７と同様の分布形状となる照度分布（図９）が得られると、あたかも液晶ライトバルブ１３の画素２３が縮小されたことになる。なお、前述のように、非球面形状では像側焦点面（図２の面２５）を含み、画素ずらし素子側でも配光分布を照度分布に変換される領域が存在する。   The image light produced by the transmissive liquid crystal light valve 13 is incident on a lens array 14 having the same array pitch as the pixel pitch of the liquid crystal light valve. FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the lens array 14 arranged in the vicinity of the liquid crystal light valve, and only the portions of the transmissive liquid crystal light valve 13 and the lens array 14 are enlarged. In the liquid crystal light valve 13, a liquid crystal layer 70 is sealed between two glass substrates 71 and 72. Although not shown in FIG. 2, transparent electrodes and alignment films are disposed between the glass substrates 71 and 72 and the liquid crystal layer 70. In general, a polarizing plate is disposed outside the glass substrates 71 and 72 of both of the transmissive liquid crystal light valves (not shown in FIG. 2). FIG. 2 shows light from three representative positions among the light emitted from the pixel 73 when a certain pixel 73 is brightly displayed. Reference numeral 23a represents light from the end of the pixel (upper side of the pixel in FIG. 2). Similarly, 23b represents light from the center of the pixel, and 23c represents light from the lower side of the pixel. The illuminance distribution of the surface 24 closer to the lens array than the surface 25 imaged by the lens 14a of the lens array 14 with the liquid crystal light valve 13 as the object surface has a distribution shape very similar to FIG. This is because the lens 14a serves as a field lens (field lens). The lens array 14 is arranged close to the liquid crystal light valve 13, and the illuminance distribution at the lens 14a is substantially uniform as in the region 41 of FIG. 8, and the light distribution of the light incident on the lens 14a. Almost coincides with FIG. On the image-side focal plane (surface 25 in FIG. 2) of the lens 14a, the light distribution distribution shape of the lens 14a surface is converted into an illuminance distribution. Therefore, the illuminance distribution on the surface 24 has the distribution shape shown in FIG. When the illuminance distribution (FIG. 9) having the same distribution shape as that in FIG. 7 is obtained within the array pitch of the lens array 14, the pixels 23 of the liquid crystal light valve 13 are reduced. As described above, the aspherical shape includes the image-side focal plane (surface 25 in FIG. 2), and there is a region where the light distribution is converted into the illuminance distribution on the pixel shifting element side.

以上の説明のように、見かけ上、液晶ライトバルブ１３の画素が小さくなる。次に、画素ずらし素子１５で画素ピッチの半分の距離を光学シフトさせ、液晶ライトバルブの表示と画素ずらし素子の同期をとることによって、観測者１６は液晶ライトバルブの２倍の解像度の画像を見ることができる。同様に、画素ずらし素子を水平方向と鉛直方向にも画素ピッチの半分の量を光学シフトすれば、液晶ライトバルブの４倍の解像度を表示することが可能になる。したがって、本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示することが可能な表示装置を提供することができる。   As described above, the pixels of the liquid crystal light valve 13 appear to be small. Next, the pixel shift element 15 is optically shifted by a distance of half the pixel pitch, and the display of the liquid crystal light valve is synchronized with the pixel shift element, so that the observer 16 can display an image having a resolution twice that of the liquid crystal light valve. Can see. Similarly, if the pixel shifting element is optically shifted by half the pixel pitch in the horizontal and vertical directions, a resolution four times that of the liquid crystal light valve can be displayed. Therefore, the configuration of this embodiment can provide a display device that can display the number of pixels that is an integral multiple of the spatial light modulator that forms an image.

なお、本実施例では光源をＬＥＤ１１としているが、これは表示装置の小型化のためには非常に有効である。しかし、ＬＥＤや半導体レーザのような固体光源以外にも、放電ランプなどを光源にすることも可能である。さらに、本実施例では空間光変調器として透過型液晶ライトバルブ１３を使用している。この場合、レンズアレイ１４には照明光が入らずに作像光のみ通過させることができる。これは、レンズアレイ自体の設計自由度を向上できる。例えば、レンズアレイを非球面化してアレイの周辺部のレンズパワー（レンズによる屈折力）をアレイ中心部より強くし、結果的に、照度分布形状をより一層圧縮させることが可能になる。   In the present embodiment, the light source is the LED 11, which is very effective for downsizing the display device. However, in addition to a solid light source such as an LED or a semiconductor laser, a discharge lamp or the like can be used as a light source. Further, in this embodiment, a transmissive liquid crystal light valve 13 is used as a spatial light modulator. In this case, only image forming light can pass through the lens array 14 without entering illumination light. This can improve the design freedom of the lens array itself. For example, the lens array is made aspherical so that the lens power (refractive power by the lens) at the periphery of the array is stronger than the center of the array, and as a result, the illuminance distribution shape can be further compressed.

［実施例２］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた表示装置の実施例を示す。図１０は本発明の第２の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置３０は、光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、レンズ１２と、空間光変調器としての反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）３１と、レンズアレイ３２と、ビームスプリッタ３３と、画素ずらし素子１５から構成されている。
空間光変調器が反射型液晶ライトバルブの場合は、図１０に示すように、ビームスプリッタ３３を用いて照明光と画像光とを分離する。ＬＥＤ光源１１からの放射光をレンズ１２で平行光束化してビームスプリッタ３３に入射する。このビームスプリッタ３３はハーフミラーの働きを有するので、入射光の半分を透過し、残りを反射させる。平行光の半分の光量はビームスプリッタ３３を透過し、レンズアレイ３２越しに反射型液晶ライトバルブ３１を照明する。このときレンズアレイ３２がフィールドレンズの働きをすることでレンズアレイ３２通過後には照度分布が図７の形状となる。この光のうちの半分がビームスプリッタ３３で反射され、画素ずらし素子１５で光学シフトを受けるので、観測者１６は反射型液晶ライトバルブの整数倍の解像度表示を見ることができる。本実施例の構成では反射型液晶ライトバルブ３１は無偏光に対して画素を明暗表示できるタイプ、例えばＰＤＬＣ（ポリマー分散型液晶素子）が望ましい。また、偏光を利用するライトバルブの場合には偏光板が必要になる。
なお、ビームスプリッタの代わりに偏光ビームスプリッタを用いる構成も可能である（具体的な実施例については後述する）。この場合、反射型液晶ライトバルブ３１には液晶の複屈折性または旋光性を利用した、ＴＮ（ツイストネマチック）液晶モードやＳＴＮ（スーパーツイストネマチック）液晶モードとＥＣＢ液晶モードを利用することができる。 [Example 2]
Next, an embodiment of a display device using a reflective liquid crystal light valve as a spatial light modulator will be described. FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a display device for explaining a second embodiment of the present invention. The display device 30 includes an LED (light emitting diode) 11 as a light source, a lens 12, a reflective liquid crystal element (reflective liquid crystal light valve) 31 as a spatial light modulator, a lens array 32, and a beam splitter 33. The pixel shifting element 15 is constituted.
When the spatial light modulator is a reflective liquid crystal light valve, illumination light and image light are separated using a beam splitter 33 as shown in FIG. Radiant light from the LED light source 11 is converted into a parallel light flux by the lens 12 and is incident on the beam splitter 33. Since this beam splitter 33 functions as a half mirror, it transmits half of the incident light and reflects the rest. Half of the parallel light passes through the beam splitter 33 and illuminates the reflective liquid crystal light valve 31 through the lens array 32. At this time, the lens array 32 functions as a field lens, so that the illuminance distribution becomes the shape shown in FIG. 7 after passing through the lens array 32. Since half of this light is reflected by the beam splitter 33 and optically shifted by the pixel shift element 15, the observer 16 can see an integer multiple resolution display of the reflective liquid crystal light valve. In the configuration of this embodiment, the reflective liquid crystal light valve 31 is preferably a type capable of displaying pixels brightly and darkly with respect to non-polarized light, for example, PDLC (polymer dispersion type liquid crystal element). In the case of a light valve using polarized light, a polarizing plate is required.
A configuration using a polarization beam splitter instead of the beam splitter is also possible (a specific example will be described later). In this case, the reflective liquid crystal light valve 31 can use a TN (twisted nematic) liquid crystal mode, an STN (super twisted nematic) liquid crystal mode, and an ECB liquid crystal mode that utilize the birefringence or optical rotation of the liquid crystal.

本実施例ではレンズアレイ３２を反射型液晶ライトバルブ３１の直前に配置している。しかし、レンズアレイ３２を反射型液晶ライトバルブ３１の構成備品の一つに組み込んで一体化しても良い。図示を省略するが、一般に反射型液晶ライトバルブは、透明基板と、反射画素電極を含むシリコンバックプレーン（下側基板）との間に液晶層が挟まれており、透明基板の液晶側の面には透明電極や配向膜が成膜されている。そこで、この透明基板をレンズアレイに置換えることにより、上記と同様の機能を持たせることができる。
また、レンズアレイ３２を無くして、かつ、反射型液晶ライトバルブの透明基板はそのままにして、通常、平面形状である反射画素電極を凹面ミラー形状にすることによって、レンズアレイを用いた場合と同様の動作・効果を有することができる。すなわち、反射画素電極の反射面に凹面ミラーアレイを形成することにより、反射型液晶ライトバルブ自体に配光分布を照度分布に変換する機能を持たせることができる。なお、これらの具体的な実施例については後述する。 In this embodiment, the lens array 32 is disposed immediately before the reflective liquid crystal light valve 31. However, the lens array 32 may be integrated in one of the components of the reflective liquid crystal light valve 31. Although not shown, in general, a reflective liquid crystal light valve has a liquid crystal layer sandwiched between a transparent substrate and a silicon backplane (lower substrate) including a reflective pixel electrode. A transparent electrode and an alignment film are formed on the substrate. Therefore, by replacing the transparent substrate with a lens array, the same function as described above can be provided.
Also, the lens array 32 is eliminated, and the transparent substrate of the reflection type liquid crystal light valve is left as it is, and the reflection pixel electrode, which is usually a flat shape, is formed into a concave mirror shape, which is similar to the case where the lens array is used. It can have the operation and effect of. That is, by forming a concave mirror array on the reflective surface of the reflective pixel electrode, the reflective liquid crystal light valve itself can have a function of converting a light distribution into an illuminance distribution. These specific examples will be described later.

［実施例３］
次に空間光変調器として透過型液晶ライトバルブを用いた投射表示装置の実施例を示す。図１１は本発明の第３の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この投射表示装置６０は、ランプ光源６１と、照明光学系６２，６３と、透過型液晶ライトバルブ６４と、レンズアレイ６５と、画素ずらし素子６６と、投射レンズ６７から構成されており、スクリーン６８に画像を投射して表示するものである。
ランプ光源６１には回転放物面鏡付き超高圧水銀ランプ等を用いることができる。照明光学系として本実施例ではフライアイインテグレータを用いている。すなわち、一対のレンズアレイ６２とコンデンサレンズ６３でフライアイインテグレータを構成している。画像表示部は、透過型液晶ライトバルブ６４で画像を形成し、画素ピッチとアレイピッチが等しいレンズアレイ６５で透過型液晶ライトバルブ６４の各画素の配光分布を照度分布に変換して画素を縮小する。そして、レンズアレイ95による縮小画素像は、画素ずらし素子６６を経て投射レンズ６７でスクリーン６８に拡大投射され、スクリーン６８上に画像が表示される。なお、透過型液晶ライトバルブ６４とレンズアレイ６５からなる画像表示部の構成は実施例１の表示装置と同様であり、画素の縮小は実施例1の説明で記述した通りなのでここでは説明を省略する。また、画素ずらし素子６６の動作も前述の通りなので説明を省略する。
本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器（透過型液晶ライトバルブ）の整数倍の画素数を表示することが可能な投射表示装置を提供することができる。 [Example 3]
Next, an embodiment of a projection display device using a transmissive liquid crystal light valve as a spatial light modulator will be described. FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a projection display device for explaining a third embodiment of the present invention. The projection display device 60 includes a lamp light source 61, illumination optical systems 62 and 63, a transmissive liquid crystal light valve 64, a lens array 65, a pixel shifting element 66, and a projection lens 67, and a screen 68. An image is projected and displayed on the screen.
The lamp light source 61 can be an ultrahigh pressure mercury lamp with a parabolic mirror. In this embodiment, a fly eye integrator is used as the illumination optical system. That is, a pair of lens array 62 and condenser lens 63 constitute a fly eye integrator. The image display unit forms an image with the transmissive liquid crystal light valve 64 and converts the light distribution of each pixel of the transmissive liquid crystal light valve 64 into an illuminance distribution with the lens array 65 having the same pixel pitch and array pitch. to shrink. The reduced pixel image by the lens array 95 is enlarged and projected onto the screen 68 by the projection lens 67 through the pixel shifting element 66, and an image is displayed on the screen 68. Note that the configuration of the image display unit including the transmissive liquid crystal light valve 64 and the lens array 65 is the same as that of the display device of the first embodiment, and pixel reduction is the same as described in the description of the first embodiment. To do. Since the operation of the pixel shifting element 66 is also as described above, description thereof is omitted.
With the configuration of this embodiment, it is possible to provide a projection display device that can display the number of pixels that is an integral multiple of the spatial light modulator (transmissive liquid crystal light valve) that forms an image.

［実施例４］
次に空間光変調器として透過型液晶ライトバルブを用い、かつ中間像を形成させる高解像投射表示装置の実施例を示す。図１２は本発明の第４の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この高解像投射表示装置７０は、ランプ光源６１から透過型液晶ライトバルブ６４までは実施例３と全く同じ構成である。液晶ライトバルブ６４の後にはマクロレンズ７１、レンズアレイ６５、画素ずらし素子６６、投射レンズ６７が配置されている。
この投射表示装置７０では、透過型液晶ライトバルブ６４の画像はマクロレンズ７１で一旦中間像として結像させる。このマクロレンズ７１は物体側にも像側にもテレセントリックであることが望ましい。また、マクロレンズの倍率（横倍率）は特に制限されるものではない。 [Example 4]
Next, an embodiment of a high-resolution projection display apparatus that uses a transmissive liquid crystal light valve as a spatial light modulator and forms an intermediate image will be described. FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a projection display device for explaining a fourth embodiment of the present invention. The high-resolution projection display device 70 has the same configuration as that of the third embodiment from the lamp light source 61 to the transmissive liquid crystal light valve 64. After the liquid crystal light valve 64, a macro lens 71, a lens array 65, a pixel shifting element 66, and a projection lens 67 are arranged.
In the projection display device 70, the image of the transmissive liquid crystal light valve 64 is temporarily formed as an intermediate image by the macro lens 71. The macro lens 71 is preferably telecentric on both the object side and the image side. Further, the magnification (lateral magnification) of the macro lens is not particularly limited.

本実施例では、マクロレンズ７１の像面の画素ピッチ（中間像の画素ピッチ）とレンズアレイピッチの等しいレンズアレイ６５を像面直後に配置する。前述の実施例３では透過型液晶ライトバルブ６４の直後にレンズアレイ６５が配置されていたが、本実施例ではライトバルブを中間像に置換えただけである。従って、実施例３（または実施例１）と同様にレンズアレイ６５を通過した光はランプの配光分布形状に似た照度分布形状となる。このため中間像の各画素が縮小されたように見える。この画像は画素ずらし素子６６を経て投射レンズ６７でスクリーンに拡大投射され、スクリーン６８上に画像が表示される。
本実施例の構成によれば、画像を形成する空間光変調器（透過型液晶ライトバルブ）６４の整数倍の画素数を表示することが可能な投射表示装置で、レンズアレイ６５と画素ずらし素子６６の設置自由度を高めることができる。また、本実施例では投射表示装置としたが、ランプ光源と照明光学系を実施例１と同様の固体光源（ＬＥＤ等）１１とレンズ１２に置き換え、投射レンズ６７を外せば、観測者が画像を観察するタイプの高解像表示装置とすることができる。 In this embodiment, a lens array 65 having a lens array pitch equal to the pixel pitch of the image plane of the macro lens 71 (pixel pitch of the intermediate image) is arranged immediately after the image plane. In the third embodiment, the lens array 65 is disposed immediately after the transmissive liquid crystal light valve 64. However, in this embodiment, the light valve is merely replaced with an intermediate image. Accordingly, similarly to the third embodiment (or the first embodiment), the light passing through the lens array 65 has an illuminance distribution shape similar to the light distribution distribution shape of the lamp. For this reason, each pixel of the intermediate image appears to be reduced. This image is enlarged and projected on the screen by the projection lens 67 through the pixel shifting element 66, and the image is displayed on the screen 68.
According to the configuration of the present embodiment, the lens array 65 and the pixel shifting element can be displayed in a projection display device that can display the number of pixels that is an integral multiple of the spatial light modulator (transmissive liquid crystal light valve) 64 that forms an image. 66 can increase the degree of freedom of installation. In this embodiment, the projection display device is used. However, if the lamp light source and the illumination optical system are replaced with the solid light source (LED or the like) 11 and the lens 12 similar to those in the first embodiment and the projection lens 67 is removed, the observer can view the image. It is possible to provide a high-resolution display device of the type that observes.

［実施例５］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた表示装置の別の実施例を示す。図１３は本発明の第５の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置は、光源８１と、レンズ８２と、偏光板８３ａ，８３ｂと、レンズアレイ８４と、空間光変調器８５と、画素ずらし素子８６で構成される。光源８１としては、実施例１と同様にＬＥＤ等の固体光源を用いることができるが、この他、可視域の光を放出する放電ランプを用いることができる。また、放電ランプに回転放物体の形状の反射鏡が付けばレンズ８２は不要となる。レンズ８２からの光を偏光板８３ａで直線偏光にする。偏光板８３ａを透過した光はレンズアレイ８４を通過し、空間光変調器８５に入射される。空間光変調器８５としては反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）を用いることができ、例えばＴＮ（ツイストネマチック）液晶素子を用いることができる。ＴＮ液晶素子は画素が配列されており、これらの画素に個別に電圧を印加して画素毎の偏光状態を制御する。レンズアレイ８５の配列とピッチは、ＴＮ液晶素子の画素の配列とピッチと同じにする。 [Example 5]
Next, another embodiment of a display device using a reflective liquid crystal light valve as a spatial light modulator will be described. FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a display device for explaining a fifth embodiment of the present invention. This display device includes a light source 81, a lens 82, polarizing plates 83 a and 83 b, a lens array 84, a spatial light modulator 85, and a pixel shifting element 86. As the light source 81, a solid light source such as an LED can be used as in the first embodiment, but in addition, a discharge lamp that emits light in the visible range can be used. Further, if a reflecting mirror in the shape of a rotating parabolic object is attached to the discharge lamp, the lens 82 is not necessary. Light from the lens 82 is linearly polarized by the polarizing plate 83a. The light transmitted through the polarizing plate 83 a passes through the lens array 84 and enters the spatial light modulator 85. As the spatial light modulator 85, a reflective liquid crystal element (reflective liquid crystal light valve) can be used. For example, a TN (twisted nematic) liquid crystal element can be used. Pixels are arranged in the TN liquid crystal element, and a voltage is individually applied to these pixels to control the polarization state of each pixel. The arrangement and pitch of the lens array 85 are the same as the arrangement and pitch of the pixels of the TN liquid crystal element.

ここで、反射型液晶ライトバルブの各画素をレンズアレイ８４によって見かけ上、画素形状を小さくする動作を図１４を用いて説明する。反射型液晶ライトバルブ８５は、透明基板９１と、反射画素電極（図示せず）を含むシリコンバックプレーン（下側基板）９２との間に液晶層９０が挟まれており、透明基板９１の液晶側の面には透明電極や配向膜（図示せず）が成膜されている。反射型液晶ライトバルブ８５の近傍にはライトバルブの画素ピッチに対応するレンズアレイ８４が配置される。また、反射型液晶ライトバルブ８５は図示しない均一照明によって照度が均一化されている。ここで、図３のような配光分布を有する画素からの光をレンズアレイ８４をへて絞る。レンズアレイ８４は液晶画素に近接されるため、フィールドレンズに近いは働きをもつ。このため、一つの画素９３の配光分布形状がレンズ焦点位置９５付近では図６に示すような照度分布（図３で横軸を位置ｘに、縦軸を輝度I（ｘ）にそれぞれ置き換えた分布形状）となる。しかし、面９５では照度分布の裾野付近（９３ａ，９３ｃ）が広がり、反射型液晶ライトバルブ８５の隣接画素へ光がまわり込むため高精細な画像とはならない。ただし、焦点付近からレンズアレイ側の手前の位置９４であっても、照度分布は反射型液晶ライトバルブの画素面の配光分布にかなり似た図６に示すような照度分布が得られる。また、この位置９４では隣接画素への光のまわり込みが少ない。したがって、位置９４の面を見ると、あたかも画素９３が縮小されたかのような照度分布となる。   Here, an operation of apparently reducing the pixel shape of each pixel of the reflective liquid crystal light valve by the lens array 84 will be described with reference to FIG. In the reflective liquid crystal light valve 85, a liquid crystal layer 90 is sandwiched between a transparent substrate 91 and a silicon backplane (lower substrate) 92 including a reflective pixel electrode (not shown). A transparent electrode and an alignment film (not shown) are formed on the side surface. In the vicinity of the reflective liquid crystal light valve 85, a lens array 84 corresponding to the pixel pitch of the light valve is disposed. The reflective liquid crystal light valve 85 has uniform illuminance by uniform illumination (not shown). Here, the light from the pixel having the light distribution as shown in FIG. Since the lens array 84 is close to the liquid crystal pixels, the lens array 84 has a function close to a field lens. Therefore, when the light distribution distribution shape of one pixel 93 is near the lens focal point position 95, the illuminance distribution as shown in FIG. 6 (in FIG. 3, the horizontal axis is replaced with the position x and the vertical axis is replaced with the luminance I (x), respectively. Distribution shape). However, since the vicinity of the illuminance distribution (93a, 93c) spreads on the surface 95, and light wraps around adjacent pixels of the reflective liquid crystal light valve 85, a high-definition image is not obtained. However, even at the position 94 near the lens array side from the vicinity of the focal point, the illuminance distribution can be obtained as shown in FIG. 6, which is very similar to the light distribution on the pixel surface of the reflective liquid crystal light valve. Further, at this position 94, there is little light sneaking into adjacent pixels. Therefore, when the surface of the position 94 is viewed, the illuminance distribution is as if the pixel 93 is reduced.

なお、符号９４の位置は、ランプ等の点光源により作られた平行光の照明光をライトバルブ８５に照射した場合に、レンズアレイ８４で配光分布を照度分布に変換する理想的な位置と考えられるが、体積を持った光源により作られた擬似平行光（±数度〜１０数度の光線を含む）でライトバルブを照射した場合は、それよりレンズアレイ側に最適位置がある。
また、レンズアレイ８４のレンズ形状が非球面で、かつ、近軸焦点距離が短くて（概ねアレイピッチの３倍以下の焦点距離で）レンズ周辺の屈折力がレンズ中心付近より弱い（すなわちレンズ傾斜角が小さい）場合には、レンズアレイの焦点付近で配光分布が照度分布に変換される。この場合、焦点位置９５よりも画素ずらし素子側（図１４で焦点位置９５の面より右側）でも配光分布が照度分布に変換される。
したがって、レンズアレイ８４のレンズ面形状を工夫することにより、配光分布が照度分布に変換される位置を調整でき、画素を縮小する効果が得られ、また、偏光解消の低減も図ることができ、高コントラスト比の画像表示が可能になる。 The position 94 is an ideal position for converting the light distribution distribution into the illuminance distribution by the lens array 84 when the light bulb 85 is irradiated with parallel illumination light generated by a point light source such as a lamp. Although it is conceivable, when the light valve is irradiated with pseudo-parallel light (including light of ± several degrees to several tens degrees) generated by a light source having a volume, there is an optimum position on the lens array side.
In addition, the lens shape of the lens array 84 is aspherical, and the paraxial focal length is short (with a focal length approximately three times or less of the array pitch), and the refractive power around the lens is weaker than that near the lens center (that is, the lens tilt). If the angle is small), the light distribution is converted into an illuminance distribution near the focal point of the lens array. In this case, the light distribution is also converted to the illuminance distribution on the pixel shifting element side from the focal position 95 (on the right side from the surface of the focal position 95 in FIG. 14).
Therefore, by devising the lens surface shape of the lens array 84, the position where the light distribution is converted into the illuminance distribution can be adjusted, the effect of reducing the pixels can be obtained, and depolarization can also be reduced. Therefore, it is possible to display an image with a high contrast ratio.

次に本発明に係る表示装置に用いられるレンズアレイ８４のレンズ面形状の一例について説明する。図１５はレンズアレイ８４の一つのレンズ８４ａを拡大して示す図であり、（ａ）はレンズの断面図、（ｂ）はレンズを正面から見た図である。また、図１５（ａ）はレンズ８４ａのアレイピッチ方向（正方形のアレイのアレイ配列方向）と対角方向の断面を各々の軸を重ねて図示している。アレイ配列方向の断面１６３ではレンズ面形状は球面の断面と一致している。すなわち断面１６３のレンズ面形状ではコーニック定数が０である。また、対角方向の断面１６２の近軸曲率半径は断面１６３と等しいが、コーニック定数が−１０であり、アレイ配列方向のコーニック定数より小さい値を選んでいる。   Next, an example of the lens surface shape of the lens array 84 used in the display device according to the present invention will be described. FIG. 15 is an enlarged view showing one lens 84a of the lens array 84, (a) is a sectional view of the lens, and (b) is a view of the lens from the front. FIG. 15A shows a cross section of the lens 84a in the array pitch direction (array arrangement direction of the square array) and the diagonal direction with the respective axes overlapped. In the cross section 163 in the array arrangement direction, the lens surface shape coincides with the spherical cross section. That is, the conic constant is 0 in the lens surface shape of the cross section 163. The paraxial radius of curvature of the cross section 162 in the diagonal direction is equal to that of the cross section 163, but the conic constant is -10, and a value smaller than the conic constant in the array arrangement direction is selected.

ここで、上記のコーニック定数について説明する。
本実施例のコーニック定数はレンズ８４ａを正面から見て図１６（ａ）に示す方位角θによっており、同図（ｂ）に示すレンズ面のサグ量ｚは下記の式(1) で表すことができる。なお、この場合、コーニック定数ｋはθの関数となっている。
ｚ＝ｃｒ2／{1+√[1-(1+ｋ(θ)ｃ2ｒ2)]} (1)
ｃ＝１／Ｒ （Ｒはレンズの曲率半径）
ｋ(θ)：コーニック定数 Here, the above conic constant will be described.
The conic constant of the present embodiment depends on the azimuth angle θ shown in FIG. 16A when the lens 84a is viewed from the front, and the sag amount z of the lens surface shown in FIG. 16B is expressed by the following equation (1). Can do. In this case, the conic constant k is a function of θ.
z = cr 2 / {1 + √ [1- (1 + k (θ) c 2 r 2 )]} (1)
c = 1 / R (R is the radius of curvature of the lens)
k (θ): Conic constant

コーニック定数ｋ(θ)としては、例えば図１７に示すような周期関数を選ぶことができる。図１７は、９０°周期でｋが０〜−１０の間を増減するような関数ｋ(θ)である。レンズの対角方向、すなわちθ＝４５°，１３５°，・・・でｋが小さい値となるため、コントラストの低下を低減できる。なお、必ずしも周期関数は９０°周期の必然は無く、また、増減は方位角θに対して線形性を保つ必要も無い。図１７のｋはほんの一例であることは言うまでも無い。   As the conic constant k (θ), for example, a periodic function as shown in FIG. 17 can be selected. FIG. 17 shows a function k (θ) that increases or decreases between 0 and −10 in a cycle of 90 °. Since k becomes a small value in the diagonal direction of the lens, that is, θ = 45 °, 135 °,..., A reduction in contrast can be reduced. The periodic function does not necessarily have a 90 ° period, and the increase / decrease does not need to maintain linearity with respect to the azimuth angle θ. It goes without saying that k in FIG. 17 is only an example.

図１５のようなレンズ形状によって、レンズアレイを正面から見たとき、図１５（ｂ）のようにハッチングをかけた領域（円の外側の領域）が、特に、球面形状から大きく異なり、斜面の傾斜が球面より緩やかになっている。すなわち、レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾斜が、レンズアレイ配列方向に比べて対角方向が緩やかになっている。そして、レンズアレイの対角方向のコーニック定数が、レンズアレイ配列方向のコーニック定数よりも小さい値となっている。
このような面形状にすることによってレンズ面による偏光解消を低減させることが可能になる。また、各画素の配光分布を照度分布に変換する作用は、球面形状の割合を多めにしておくことで可能となる。
なお、図１５のレンズ形状は、金型を使ったモールド成形では金型の凹面アレイ形状を対角方向とアレイ配列方向で曲率半径を変えるように金型を作製することで、所望のレンズアレイを作ることができる。 When the lens array is viewed from the front depending on the lens shape as shown in FIG. 15, the hatched region (region outside the circle) as shown in FIG. The slope is gentler than the spherical surface. That is, the inclination of the lens surface with respect to the distance from the center of the lens is gentler in the diagonal direction than in the lens array arrangement direction. Then, the conic constant in the diagonal direction of the lens array is smaller than the conic constant in the lens array arrangement direction.
By adopting such a surface shape, it is possible to reduce depolarization by the lens surface. Further, the function of converting the light distribution of each pixel into the illuminance distribution can be achieved by increasing the ratio of the spherical shape.
The lens shape of FIG. 15 is obtained by forming a mold so that the radius of curvature is changed in the diagonal direction and the array arrangement direction in the mold concave surface array shape in the mold forming using the mold. Can be made.

以上の説明のように、本実施例の表示装置では、レンズアレイ８４により、見かけ上、反射型液晶ライトバルブ８５の画素が小さくなるが、次に図１３の画素ずらし素子８６について説明する。画素ずらし素子８６は空間光変調器からの画像光を所定の距離だけ光路をシフトさせる機能を有する。例えば、画素ずらし素子として透光性平行平板をピエゾ素子で所定の角度だけあおる方式が利用できる。そして、画素ピッチの半分の距離を光学シフトさせ、空間光変調器８５と画素ずらし素子８６の同期をとることによって、観測者８７は空間光変調器８５の２倍の解像度画像を見ることができる。同様に、画素ずらし素子８６を水平方向と鉛直方向にも画素ピッチの半分の量を光学シフトすれば、空間光変調器８５の４倍の解像度を表示することが可能になる。
また、前述の通り、レンズ対角方向のコーニック定数が小さい値を選ぶため、完全な球面形状のレンズに比べて対角方向のレンズ面傾斜が緩やかになる。このため、前述のように偏光解消が低減できる。したがって、本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器８５の整数倍の画素数を表示することができ、かつ、レンズアレイ８４による偏光解消を低減することができ、コントラスト比の高い表示装置を提供することができる。 As described above, in the display device of this embodiment, the pixels of the reflective liquid crystal light valve 85 are apparently reduced by the lens array 84. Next, the pixel shift element 86 in FIG. 13 will be described. The pixel shifting element 86 has a function of shifting the optical path of image light from the spatial light modulator by a predetermined distance. For example, it is possible to use a method in which a translucent parallel plate is provided as a pixel shifting element by a predetermined angle with a piezoelectric element. Then, the observer 87 can view a resolution image twice as large as that of the spatial light modulator 85 by optically shifting the distance half the pixel pitch and synchronizing the spatial light modulator 85 and the pixel shifting element 86. . Similarly, if the pixel shift element 86 is optically shifted by half the pixel pitch in the horizontal and vertical directions, a resolution four times that of the spatial light modulator 85 can be displayed.
Further, as described above, since the conic constant in the lens diagonal direction is selected to be a small value, the diagonal lens surface inclination is gentler than that of a perfect spherical lens. For this reason, depolarization can be reduced as described above. Therefore, according to the configuration of the present embodiment, the number of pixels that is an integral multiple of the spatial light modulator 85 that forms an image can be displayed, and the depolarization by the lens array 84 can be reduced, and the contrast ratio is high. A display device can be provided.

なお、図１３に示す構成の表示装置では、光源をＬＥＤ（発光ダイオード）のような固体光源に置き換えることも十分可能である。ＬＥＤの場合にはコリメートレンズ８２を用いると光利用効率の点で良い。また、光源の種類にかかわらず、空間光変調器はツイストネマチック（ＴＮ）以外にも、スーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）、ＥＣＢモードなどを用いても良い。また、画素ずらし素子８６としては、液晶を用いた光偏向素子なども利用できる。   In the display device having the configuration shown in FIG. 13, the light source can be replaced with a solid light source such as an LED (light emitting diode). In the case of an LED, the use of a collimating lens 82 is sufficient in terms of light utilization efficiency. Regardless of the type of light source, the spatial light modulator may use super twisted nematic (STN), ECB mode, etc. in addition to twisted nematic (TN). Further, as the pixel shifting element 86, an optical deflection element using liquid crystal can be used.

［実施例６］
実施例５で説明したレンズアレイのレンズ面形状は、実施例１〜４の表示装置や投射表示装置にも同様に適用できるが、これらの表示装置や投射表示装置に適用されるレンズアレイのレンズ面形状としては、図１５に示した形状の他、図１８に示すような形状のものであっても良い。図１８にはレンズアレイの一つのレンズを図示している。このレンズは、水平方向のシリンダーレンズと鉛直方向のシリンダーレンズの交わりで表される立体の表面形状である。面１８１ａ，１８１ｂが水平方向シリンダーレンズ面で、面１８２ａ，１８２ｂが鉛直方向シリンダーレンズ面である。図１８の面形状では、アレイ中心からの距離に対するレンズ面の傾斜が、前記レンズアレイ配列方向に比べて、対角方向が緩やかであるため、上述と同様の効果が得られる。なお、レンズ面形状は、シリンダーレンズ面に代えて蒲鉾状としてもよい。 [Example 6]
The lens surface shape of the lens array described in the fifth embodiment can be similarly applied to the display device and the projection display device according to the first to fourth embodiments. However, the lenses of the lens array applied to these display devices and the projection display device. The surface shape may be the shape shown in FIG. 18 in addition to the shape shown in FIG. FIG. 18 illustrates one lens of the lens array. This lens has a three-dimensional surface shape represented by the intersection of a horizontal cylinder lens and a vertical cylinder lens. The surfaces 181a and 181b are horizontal cylinder lens surfaces, and the surfaces 182a and 182b are vertical cylinder lens surfaces. In the surface shape of FIG. 18, since the inclination of the lens surface with respect to the distance from the center of the array is gentler in the diagonal direction compared to the lens array arrangement direction, the same effect as described above can be obtained. The lens surface shape may be a bowl shape instead of the cylinder lens surface.

ここで、図１８のレンズ面形状のレンズアレイを用いた光学系のコントラスト比と、球面レンズアレイを用いた光学系のコントラスト比の差異を以下の方法でシミュレーションした。
［方法］
・使用したシミュレータ；
３次元光学ＣＡＤ・照明解析プログラムLight Tools（ライトツールズ）、オプティカルリサーチアソシエーツ社製、バージョン4.20。
・計算モデル；
図１９にパーソナルコンピュータの画面上に表示した計算モデルとなる光学系を示す。
光源；一般的な放電ランプの配向分布をモデル上の光源に設定。
偏光分離素子；偏光ビームスプリッタ、入射面と、出射面には理想偏光板（透過軸に平行な偏光は１００％透過、垂直な偏光は透過率０％）を配置、偏光ビームスプリッタとレンズアレイの間には４分の１波長板を配置した。
計算波長は５５０ｎｍのみである。
偏光光線追跡モードで、光線総本数は５００００本とした。
４分の１波長板の遅相軸を図１９の面内に平行な場合を暗表示、紙面から４５°傾けた場合を明状態とし、両者のレシーバ照度の比をコントラスト比と定義する。
・計算結果
レンズアレイが球面形状の場合：Ｃ／Ｒ＝３１６
レンズアレイが図１８のレンズ面形状の場合：Ｃ／Ｒ＝４９３ Here, the difference between the contrast ratio of the optical system using the lens array having the lens surface shape of FIG. 18 and the contrast ratio of the optical system using the spherical lens array was simulated by the following method.
[Method]
・ Simulator used;
Three-dimensional optical CAD / illumination analysis program Light Tools, manufactured by Optical Research Associates, version 4.20.
・ Calculation model;
FIG. 19 shows an optical system as a calculation model displayed on the screen of a personal computer.
Light source: General discharge lamp orientation distribution is set as the light source on the model.
Polarization separation element: Polarization beam splitter, ideal polarizing plates (100% transmission for polarized light parallel to transmission axis, 0% transmission for perpendicular polarization) are arranged on the entrance and exit surfaces of the polarization beam splitter and lens array A quarter-wave plate was placed between them.
The calculated wavelength is only 550 nm.
In the polarization ray tracing mode, the total number of rays was 50,000.
When the slow axis of the quarter-wave plate is parallel to the plane of FIG. 19, it is dark display, and when it is inclined 45 ° from the paper surface, the bright state is defined, and the ratio of the receiver illuminance is defined as the contrast ratio.
Calculation result When the lens array is spherical: C / R = 316
When the lens array has the lens surface shape of FIG. 18: C / R = 493

以上のシミュレーションの結果、球面レンズアレイを用いた光学系のコントラスト比Ａと図１８のレンズ面形状のレンズアレイを用いた光学系のコントラスト比Ｂとの関係は、
Ａ：Ｂ＝１：１．６
となり、コントラスト比は約６割向上した。 As a result of the above simulation, the relationship between the contrast ratio A of the optical system using the spherical lens array and the contrast ratio B of the optical system using the lens array having the lens surface shape of FIG.
A: B = 1: 1.6
The contrast ratio was improved by about 60%.

［実施例７］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた投射表示装置の実施例を示す。図２０は本発明の第７の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この投射表示装置１００は、ランプ光源１０１、フライアイレンズ１０２とコンデンサレンズ１０３からなる照明光学系、偏光ビームスプリッタ１０４、レンズアレイ１０５、空間光変調器としての反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）１０６、画素ずらし素子１０７、投射レンズ１０８で構成されており、スクリーン１０９に画像を拡大投射して表示する。ランプ光源１０１からの放射光は照明光学系１０２，１０３によって均一照度化される。この照明光のうち図面に平行な偏光成分はレンズアレイ側に透過される。レンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ（空間光変調器）１０６の構成と動作は前述の実施例５で述べた通りなのでここでは説明を省略する。見かけ上、縮小された画素は明状態なら偏光状態が９０°回転され偏光ビームスプリッタ１０４で画素ずらし素子１０７側に反射される。画素ずらし素子１０７で所定の距離だけ高速に光路が切り替えられ、これらの光は投射レンズ１０８を経てスクリーン１０９に拡大投射される。 [Example 7]
Next, an embodiment of a projection display device using a reflective liquid crystal light valve as a spatial light modulator will be described. FIG. 20 is a schematic configuration diagram of a projection display device for explaining a seventh embodiment of the present invention. The projection display device 100 includes a lamp light source 101, an illumination optical system including a fly-eye lens 102 and a condenser lens 103, a polarization beam splitter 104, a lens array 105, and a reflective liquid crystal element (a reflective liquid crystal light valve as a spatial light modulator). ) 106, a pixel shifting element 107, and a projection lens 108, and an enlarged image is projected on the screen 109 and displayed. Radiant light from the lamp light source 101 is made uniform by the illumination optical systems 102 and 103. Of this illumination light, a polarization component parallel to the drawing is transmitted to the lens array side. Since the configuration and operation of the lens array 105 and the reflective liquid crystal light valve (spatial light modulator) 106 are as described in the fifth embodiment, the description thereof is omitted here. Apparently, if the reduced pixel is in a bright state, the polarization state is rotated by 90 ° and reflected by the polarization beam splitter 104 to the pixel shift element 107 side. The optical path is switched at high speed by a predetermined distance by the pixel shifting element 107, and these lights are enlarged and projected onto the screen 109 through the projection lens 108.

図２０に示す投射表示装置のように偏光ビームスプリッタ１０４を用いる構成では、偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と画像光の光軸を含む面、または偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と偏光ビームスプリッタ１０４で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
（１）レンズアレイ１０５の各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかにする、
（２）レンズアレイ１０５の各レンズのレンズ形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値にする、
（３）レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値にする、
の何れかの構成とすることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。 In the configuration using the polarization beam splitter 104 as in the projection display device shown in FIG. 20, the plane including the optical axis of the illumination light incident on the polarization beam splitter 104 and the optical axis of the image light, or the illumination incident on the polarization beam splitter 104. When the surface including the optical axis of the light and the optical axis of the image light whose optical path is changed by the polarization beam splitter 104 is a surface A,
(1) The inclination of the lens surface with respect to the distance from the center of each lens of the lens array 105 is such that the angle between the surface A and the inclination in the direction of 45 degrees or 135 degrees is parallel or perpendicular to the surface A. Make it gentler than the inclination,
(2) The lens shape of each lens in the lens array 105 is a conic constant in a cross-sectional direction of 45 degrees or a cross-sectional direction of 135 degrees formed by the angle with the surface A. Make the value smaller than the conic constant,
(3) The lens shape of each lens of the lens array has a radius of curvature in a cross-sectional direction of 45 degrees or a cross-sectional direction of 135 degrees formed by an angle with the surface A, and a curvature in a cross-sectional direction parallel to or perpendicular to the surface A. Make the value larger than the radius,
By adopting any one of the configurations, depolarization is reduced, and display with a high contrast ratio becomes possible.

具体的には、レンズアレイ１０５のレンズ面形状を前述の図１５の形状（あるいは図１８の形状）にすると良く、さらには、レンズアレイ１０５のアレイ配列方向の曲率半径に比べてアレイ対角方向の曲率半径を大きくした非球面形状とすると良い。このような形状にすると、特に、レンズの４隅の傾斜角が緩やかとなり、この面を通過する光の偏光回転量〈偏光解消量〉は小さくなる。従って、黒表示の明るさ（漏れ光）が減少し、スクリーン１０９上でのコントラスト比を向上することができる。   Specifically, the lens surface shape of the lens array 105 may be the shape shown in FIG. 15 (or the shape shown in FIG. 18), and the array diagonal direction is larger than the radius of curvature of the lens array 105 in the array arrangement direction. An aspherical shape with a larger curvature radius is preferable. With such a shape, in particular, the inclination angles of the four corners of the lens become gentle, and the amount of polarization rotation <the amount of depolarization> of the light passing through this surface becomes small. Therefore, the brightness (leakage light) of black display is reduced, and the contrast ratio on the screen 109 can be improved.

［実施例８］
図２１は実施例７の変形例を説明するための図であり、レンズアレイ付き反射型液晶素子の概略断面図である。空間光変調器としての反射型液晶表示素子（反射型液晶ライトバルブ）１１０は、実施例７のレンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ１０６を一つの素子に置き換えたものである。液晶層１１３はレンズアレイ基板１１１とシリコンバックプレーン（下側基板）１１２に挟持される。シリコンバックプレーン１１２には反射画素電極（画素反射ミラー）１１６や画素の明暗表示を駆動させるための駆動素子（図示せず）が半導体プロセスで作製されている。画素反射ミラー１１６の上には平坦化層（図示せず）や配向膜１１５が積層されている。一方、レンズアレイ基板１１１の液晶層側の面には透明電極１１４と配向膜１１５が設置されている。レンズアレイのアレイピッチは画素電極のピッチと対応している。レンズアレイは液晶層１１３に近接されているが、動作は実施例５で述べた通りであるため、ここでは説明を省略する。 [Example 8]
FIG. 21 is a diagram for explaining a modification of the seventh embodiment, and is a schematic cross-sectional view of a reflective liquid crystal element with a lens array. A reflective liquid crystal display element (reflective liquid crystal light valve) 110 as a spatial light modulator is obtained by replacing the lens array 105 and the reflective liquid crystal light valve 106 of Example 7 with one element. The liquid crystal layer 113 is sandwiched between the lens array substrate 111 and the silicon backplane (lower substrate) 112. In the silicon backplane 112, a reflective pixel electrode (pixel reflective mirror) 116 and a driving element (not shown) for driving bright / dark display of the pixel are manufactured by a semiconductor process. A planarizing layer (not shown) and an alignment film 115 are stacked on the pixel reflection mirror 116. On the other hand, a transparent electrode 114 and an alignment film 115 are provided on the surface of the lens array substrate 111 on the liquid crystal layer side. The array pitch of the lens array corresponds to the pitch of the pixel electrodes. Although the lens array is close to the liquid crystal layer 113, the operation is the same as that described in the fifth embodiment, and thus description thereof is omitted here.

本実施例の構成によれば、反射型液晶ライトバルブ〈空間光変調器〉１１０のカバーガラスをレンズアレイ基板１１１で置き換えることができるので、装置を小型にできる。また、反射型液晶ライトバルブとレンズアレイを個別に組みつける場合にはレンズアレイを６軸（３軸位置調整と３軸回転またはあおり調整）で行う必要があるが、レンズアレイ付き反射型液晶ライトバルブを精度の高い貼り合せ装置で実装しておけば、投射表示装置の組付けは非常に簡単になる。   According to the configuration of the present embodiment, the cover glass of the reflective liquid crystal light valve <spatial light modulator> 110 can be replaced with the lens array substrate 111, so that the apparatus can be downsized. In addition, when the reflective liquid crystal light valve and the lens array are assembled separately, it is necessary to perform the lens array with 6 axes (3-axis position adjustment and 3-axis rotation or tilt adjustment). If the valve is mounted with a high-precision bonding apparatus, the assembly of the projection display apparatus becomes very simple.

［実施例９］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用い、各画素の配光分布を照度分布に変換する光学素子として凹面ミラーアレイを用いた投射表示装置の実施例を示す。
本実施例では、図２０に示された投射表示装置のレンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ１０６を図２２に示す空間光変調器１２０で置き換えるものである。図２２に示す空間光変調器１２０は、凹面ミラーアレイを一体化した反射型液晶ライトバルブであり、液晶層１１３がカバーガラス（透光性基板）１２１とシリコンバックプレーン（下側基板）１１２に挟持されている。シリコンバックプレーン１１２には凹面ミラーアレイ１２２や画素の明暗表示を駆動させるための駆動素子（図示せず）が半導体プロセスで作製されている。凹面ミラーアレイ１２２の上には平坦化層（図示せず）や配向膜１１５が積層されている。一方、カバーガラス１２１の液晶層側の面には透明電極１１４と配向膜１１５が設置されている。凹面ミラーアレイ１２２は反射画素電極を兼ねている。この反射型液晶ライトバルブ１２０は、レンズアレイに代わり凹面ミラーアレイが空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換する働きを有する。 [Example 9]
Next, an embodiment of a projection display device using a reflective liquid crystal light valve as a spatial light modulator and a concave mirror array as an optical element for converting the light distribution distribution of each pixel into an illuminance distribution will be described.
In this embodiment, the lens array 105 and the reflective liquid crystal light valve 106 of the projection display device shown in FIG. 20 are replaced with a spatial light modulator 120 shown in FIG. The spatial light modulator 120 shown in FIG. 22 is a reflective liquid crystal light valve in which a concave mirror array is integrated, and a liquid crystal layer 113 is formed on a cover glass (translucent substrate) 121 and a silicon backplane (lower substrate) 112. It is pinched. On the silicon backplane 112, a concave mirror array 122 and driving elements (not shown) for driving bright / dark display of pixels are manufactured by a semiconductor process. A planarizing layer (not shown) and an alignment film 115 are laminated on the concave mirror array 122. On the other hand, a transparent electrode 114 and an alignment film 115 are provided on the surface of the cover glass 121 on the liquid crystal layer side. The concave mirror array 122 also serves as a reflective pixel electrode. In this reflection type liquid crystal light valve 120, a concave mirror array has a function of converting the light distribution of each pixel of the spatial light modulator into an illuminance distribution instead of the lens array.

凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーの形状を図２３に示す。図２３（ｂ）は凹面ミラーアレイの一つのミラーの正面図である。また、図２３（ａ）はアレイ方向の断面１３１の断面図と対角方向の断面１３２の断面図を重ねて図示したものである。矩形配列された凹面ミラーアレイ１２２において、各ミラーの面形状は、アレイ対角方向の断面１３２の曲率半径がアレイ配列方向の断面１３１の曲率半径よりも長く作製されている。このため、特に、ミラー面の４隅の傾斜角は完全な球面形状よりも緩やかになっている。この形状によって、暗表示にミラーで反射される直前、直後の偏光状態は平面ミラーでのそれらに近い状態となる。このため、暗状態の画素からの光は偏光ビームスプリッタでほぼ反射されることなく光源側に戻る。このため、スクリーン上で黒表示画素が暗くなり、高コントラスト比の表示が可能になる。なお、図示しないが、アレイ対角方向のコーニック定数がアレイ配列方向のコーニック定数より小さい値となるミラー形状でも良い。   The shape of each mirror of the concave mirror array 122 is shown in FIG. FIG. 23B is a front view of one mirror of the concave mirror array. FIG. 23A shows a cross-sectional view of the cross section 131 in the array direction and a cross-sectional view of the cross section 132 in the diagonal direction. In the concavely arranged concave mirror array 122, the surface shape of each mirror is made such that the radius of curvature of the cross section 132 in the array diagonal direction is longer than the radius of curvature of the cross section 131 in the array array direction. For this reason, in particular, the inclination angles of the four corners of the mirror surface are gentler than the perfect spherical shape. With this shape, the state of polarization immediately before and after being reflected by the mirror for dark display becomes close to that of the plane mirror. For this reason, the light from the pixel in the dark state returns to the light source side without being substantially reflected by the polarization beam splitter. For this reason, black display pixels become dark on the screen, and display with a high contrast ratio becomes possible. Although not shown, the mirror shape may be such that the conic constant in the array diagonal direction is smaller than the conic constant in the array arrangement direction.

すなわち、図２０に示す投射表示装置のように偏光ビームスプリッタ１０４を用いる構成で、図２２に示す凹面ミラーアレイ付き空間光変調器１２０を用いる場合には、偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と画像光の光軸を含む面、または偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と偏光ビームスプリッタ１０４で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
（１）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーの中心からの距離に対するミラー面の傾きは、面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかにする、
（２）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーのミラー形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値にする、
（３）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーのミラー形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値にする、
の何れかの構成とすることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。 That is, when the polarization beam splitter 104 is used as in the projection display device shown in FIG. 20 and the spatial light modulator 120 with the concave mirror array shown in FIG. 22 is used, the illumination light incident on the polarization beam splitter 104 is reduced. A plane including the optical axis and the optical axis of the image light, or a plane including the optical axis of the illumination light incident on the polarizing beam splitter 104 and the optical axis of the image light whose optical path has been changed by the polarizing beam splitter 104, and plane A When
(1) The inclination of the mirror surface with respect to the distance from the center of each mirror of the concave mirror array 122 is such that the angle between the surface A and the inclination in the direction of 45 degrees or 135 degrees is parallel or perpendicular to the surface A. Make it gentler than the slope of
(2) The mirror shape of each mirror of the concave mirror array 122 is such that the angle formed by the surface A is 45 degrees in cross-sectional direction or 135 degrees in the cross-sectional direction, and the cross-sectional direction parallel to or perpendicular to the surface A. To a value smaller than the conic constant of
(3) The mirror shape of each mirror of the concave mirror array 122 is such that the angle formed with the surface A is 45 degrees or 135 degrees, the sectional radius parallel to the surface A or perpendicular to the surface A. To a larger value than the radius of curvature of
By adopting any one of the configurations, depolarization is reduced, and display with a high contrast ratio becomes possible.

［実施例１０］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用い、偏光ビームスプリッタを用いた表示装置の実施例を示す。図２４は本発明の第１０の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置は、光源としてのＬＥＤ１４１と、レンズ１４２と、偏光分離手段である偏光ビームスプリッタ１４３とレンズアレイ１４４と、空間光変調器としての反射型液晶ライトバルブ１４５と画素ずらし素子１４６で構成されている。ＬＥＤ１４１から放射された光はレンズ１４２で平行光となり、偏光ビームスプリッタ１４３でｐ偏光（図２４の紙面に平行な偏光）が透過し、レンズアレイ１４４を通過して反射型液晶ライトバルブ１４５に入射する。反射型液晶ライトバルブ１４５で変調を受けた画像光はｓ偏光成分が発生し、この偏光は偏光ビームスプリッタ１４３で反射されて画素ずらし素子１４６側に反射される。そして、観測者１４７は、画素ずらし素子１４６で光学的に画素ずらしされた画像を観測する。ここで、レンズアレイ１４４と反射型液晶ライトバルブ１４５の構成、動作および画素ずらし素子１４６の動作は前述の実施例５等で説明したものと同様なのでここでは説明を省略する。 [Example 10]
Next, an embodiment of a display device using a reflective liquid crystal light valve as a spatial light modulator and a polarizing beam splitter will be described. FIG. 24 is a schematic configuration diagram of a display device for explaining a tenth embodiment of the present invention. This display device includes an LED 141 as a light source, a lens 142, a polarization beam splitter 143 as a polarization separation means, a lens array 144, a reflective liquid crystal light valve 145 as a spatial light modulator, and a pixel shift element 146. ing. Light emitted from the LED 141 is converted into parallel light by the lens 142, and p-polarized light (polarized light parallel to the paper of FIG. 24) is transmitted by the polarization beam splitter 143, passes through the lens array 144, and enters the reflective liquid crystal light valve 145. To do. The image light modulated by the reflective liquid crystal light valve 145 generates an s-polarized component, and this polarized light is reflected by the polarization beam splitter 143 and reflected to the pixel shift element 146 side. The observer 147 observes an image optically pixel-shifted by the pixel-shift element 146. Here, the configuration and operation of the lens array 144 and the reflective liquid crystal light valve 145 and the operation of the pixel shifting element 146 are the same as those described in the fifth embodiment and the like, and thus the description thereof is omitted here.

本実施例の表示装置では、レンズアレイ１４４として図１５（または図１８）に示すレンズ面形状のレンズアレイを用いることができる。このレンズ形状については実施例５（または実施例６）で説明した通りであるため説明を省略する。このようなレンズ形状とすることによって、実施例５で記述したように見かけ上、画素を小さくすることが可能となる。また、レンズアレイによる偏光解消や、特にレンズの４隅の偏光解消を低減する効果も前述の通りで有り、高コントラスト比の画像が得られる。
また、図２４において、レンズアレイ１４４と反射型液晶ライトバルブ１４５に代えて、図２１に示したレンズアレイ付き反射型液晶ライトバルブ１１０を用いてもよく、さらには、図２２に示す凹面ミラーアレイ付き反射型液晶ライトバルブ１２０を用いることもできる。なお、これらを用いたときの構成、動作および作用は前述した通りである。 In the display device of this embodiment, a lens array having a lens surface shape shown in FIG. 15 (or FIG. 18) can be used as the lens array 144. Since this lens shape is the same as that described in Example 5 (or Example 6), description thereof is omitted. By adopting such a lens shape, it is possible to make the pixels small in appearance as described in the fifth embodiment. In addition, the effect of reducing the depolarization by the lens array, particularly the depolarization of the four corners of the lens is also as described above, and an image with a high contrast ratio can be obtained.
In FIG. 24, instead of the lens array 144 and the reflective liquid crystal light valve 145, the reflective liquid crystal light valve 110 with a lens array shown in FIG. 21 may be used. Furthermore, the concave mirror array shown in FIG. An attached reflective liquid crystal light valve 120 can also be used. In addition, a structure, operation | movement, and effect | action when using these are as having mentioned above.

以上説明したように、本発明によれば、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することができ、さらには、コントラスト比の高い画像表示を行うことができる表示装置や投射表示装置を提供することができる。したがって、この表示装置や投射表示装置を用いることにより、高精細で高コントラストなヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどを実現することができる。また、本発明に係るレンズアレイ、凹面ミラーアレイは、高精細で高コントラストなヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどを実現するための光学素子として好適に利用することができる。   As described above, according to the present invention, the number of pixels that is an integral multiple of the spatial light modulator that forms an image can be displayed, the overlap between display adjacent pixels can be reduced, and the contrast ratio can be reduced. It is possible to provide a display device and a projection display device that can perform high image display. Therefore, by using this display device or projection display device, a high-definition and high-contrast head-mounted display or projector can be realized. In addition, the lens array and the concave mirror array according to the present invention can be suitably used as an optical element for realizing a high-definition and high-contrast head-mounted display or projector.

本発明の第１の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the display apparatus for demonstrating the 1st Example of this invention. レンズアレイの動作について説明するための図であり、透過型液晶ライトバルブとレンズアレイの部分のみ拡大して示す概略断面図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of a lens array, and is a schematic sectional drawing which expands and shows only the part of a transmissive liquid crystal light valve and a lens array. ランプの配光分布を示す図である。It is a figure which shows the light distribution of a lamp | ramp. 回転放物面鏡付きランプの照度分布と、回転楕円鏡付きランプの照度分布を示す図である。It is a figure which shows the illuminance distribution of the lamp with a rotating paraboloid mirror, and the illuminance distribution of the lamp with a spheroid mirror. レンズによってコントラスト比が低下する現象を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the phenomenon in which a contrast ratio falls with a lens. ランプ光を用いた場合のレンズアレイによる縮小画素の照度分布を示す図である。It is a figure which shows the illumination intensity distribution of the reduction | decrease pixel by the lens array at the time of using lamp light. ＬＥＤの配光分布を示す図である。It is a figure which shows the light distribution of LED. ＬＥＤの照度分布を示す図である。It is a figure which shows the illumination intensity distribution of LED. ＬＥＤ光を用いた場合のレンズアレイによる縮小画素の照度分布を示す図である。It is a figure which shows the illumination intensity distribution of the reduction | decrease pixel by the lens array at the time of using LED light. 本発明の第２の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the display apparatus for demonstrating the 2nd Example of this invention. 本発明の第３の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the projection display apparatus for demonstrating the 3rd Example of this invention. 本発明の第４の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the projection display apparatus for demonstrating the 4th Example of this invention. 本発明の第５の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the display apparatus for demonstrating the 5th Example of this invention. レンズアレイの動作について説明するための図であり、反射型液晶ライトバルブとレンズアレイの部分のみ拡大して示す概略断面図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of a lens array, and is a schematic sectional drawing which expands and shows only the part of a reflective liquid crystal light valve and a lens array. 本発明に係るレンズアレイのレンズ面形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the lens surface shape of the lens array which concerns on this invention. レンズ面形状を設定する際に用いられるコーニック定数を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conic constant used when setting a lens surface shape. コーニック定数に用いられる関数の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the function used for a conic constant. 本発明に係るレンズアレイのレンズ面形状の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the lens surface shape of the lens array which concerns on this invention. シミュレーションを行う際にパーソナルコンピュータの画面上で計算モデルとなる光学系の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the optical system used as a calculation model on the screen of a personal computer when performing a simulation. 本発明の第７の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the projection display apparatus for demonstrating the 7th Example of this invention. 本発明の第８の実施例を説明するための図であり、レンズアレイ付き反射型液晶素子の概略断面図である。It is a figure for demonstrating the 8th Example of this invention, and is a schematic sectional drawing of a reflective liquid crystal element with a lens array. 本発明の第９の実施例を説明するための図であり、凹面ミラーアレイ付き反射型液晶素子の概略断面図である。It is a figure for demonstrating the 9th Example of this invention, and is a schematic sectional drawing of a reflective liquid crystal element with a concave mirror array. 本発明に係る凹面ミラーアレイのミラー面形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the mirror surface shape of the concave mirror array which concerns on this invention. 本発明の第１０の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the display apparatus for demonstrating the 10th Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０，３０，８０，１４０：表示装置
１１，８１，１４１：ＬＥＤ光源
１２，８２，１４２：レンズ
１３，６４：透過型液晶素子（空間光変調器）
１４，３２，６５，８４，１０５，１４４：レンズアレイ（光学素子）
１５，６６，８６，１０７，１４６：画素ずらし素子
１６，８７，１４７：観測者
３１，８５，１０６，１４５：反射型液晶素子（空間光変調器）
６０，７０，１００：投射表示装置
６１，１０１：ランプ光源
６２，９２：レンズアレイ（照明光学系）
６３，９３：コンデンサレンズ（照明光学系）
６７，１０８：投射レンズ
６８，１０９：スクリーン
７１：マクロレンズ
１０４，１４３：偏光ビームスプリッタ
１１０：レンズアレイ付き反射型液晶素子（空間光変調器）
１２０：凹面ミラーアレイ付き反射型液晶素子（空間光変調器）
１２２：凹面ミラーアレイ
10, 30, 80, 140: Display device 11, 81, 141: LED light source 12, 82, 142: Lens 13, 64: Transmission type liquid crystal element (spatial light modulator)
14, 32, 65, 84, 105, 144: Lens array (optical element)
15, 66, 86, 107, 146: Pixel shift element 16, 87, 147: Observer 31, 85, 106, 145: Reflective liquid crystal element (spatial light modulator)
60, 70, 100: Projection display device 61, 101: Lamp light source 62, 92: Lens array (illumination optical system)
63, 93: condenser lens (illumination optical system)
67, 108: Projection lens 68, 109: Screen 71: Macro lens 104, 143: Polarization beam splitter 110: Reflective liquid crystal element with lens array (spatial light modulator)
120: Reflective liquid crystal element with a concave mirror array (spatial light modulator)
122: Concave mirror array

Claims (4)

放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、
前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、
前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、
前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、
前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、
前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
前記レンズアレイの各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、前記面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、前記面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかであることを特徴とする表示装置。 A light source that emits radiated light; illumination means that uniformly illuminates light emitted from the light source; a spatial light modulator that forms an image with pixels arranged in an array; and a pixel array of the spatial light modulator. Pixel shift for performing control to optically shift the optical path of the image light formed by the spatial light modulator formed by the spatial light modulator and passing through the optical element by a predetermined amount in synchronization with the spatial light modulator A display device comprising:
The optical element converts the light distribution of each pixel of the spatial light modulator into an illuminance distribution, and optically changes the optical path of the light of the illuminance distribution by the pixel shifting means in synchronization with the spatial light modulator. In a display device that displays an image having a resolution that is an integral multiple of the spatial light modulator by shifting to
The spatial light modulator is a reflective spatial light modulator,
The optical element is a lens array composed of lenses arranged according to a pixel arrangement, and converts a light distribution distribution of each pixel into an illuminance distribution, and the lens array is arranged immediately before the spatial light modulator,
Polarization separation means for separating illumination light directed from the illumination means toward the spatial light modulator and image light from the spatial light modulator passing through the lens array toward the pixel shifting means;
When a plane including the optical axis of the illumination light incident on the polarization separation means and the optical axis of the image light whose optical path is changed by the polarization separation means is defined as a plane A,
Inclination of the lens surface with respect to distance from the center of each lens of the lens array, the slope of the angle is 45 degree direction or 135 degree direction of the surface A is a direction parallel to the plane A or the direction perpendicular gradient A display device characterized by being gentler than the above. 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、
前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、
前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、
前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、
前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、
前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値であることを特徴とする表示装置。 A light source that emits radiated light; illumination means that uniformly illuminates light emitted from the light source; a spatial light modulator that forms an image with pixels arranged in an array; and a pixel array of the spatial light modulator. Pixel shift for performing control to optically shift the optical path of the image light formed by the spatial light modulator formed by the spatial light modulator and passing through the optical element by a predetermined amount in synchronization with the spatial light modulator A display device comprising:
The optical element converts the light distribution of each pixel of the spatial light modulator into an illuminance distribution, and optically changes the optical path of the light of the illuminance distribution by the pixel shifting means in synchronization with the spatial light modulator. In a display device that displays an image having a resolution that is an integral multiple of the spatial light modulator by shifting to
The spatial light modulator is a reflective spatial light modulator,
The optical element is a lens array composed of lenses arranged according to a pixel arrangement, and converts a light distribution distribution of each pixel into an illuminance distribution, and the lens array is arranged immediately before the spatial light modulator,
Polarization separation means for separating illumination light directed from the illumination means toward the spatial light modulator and image light from the spatial light modulator passing through the lens array toward the pixel shifting means;
When a plane including the optical axis of the illumination light incident on the polarization separation means and the optical axis of the image light whose optical path is changed by the polarization separation means is defined as a plane A,
Lens shape of each lens of the lens array, conic constant in the cross-sectional direction of the angle is 45 degrees in the cross-sectional direction or 135 degrees with the plane A is a conic cross-section parallel or vertical cross section direction to the surface A A display device having a smaller value than a constant. 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、
前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、
前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、
前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、
前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、
前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値であることを特徴とする表示装置。 A light source that emits radiated light; illumination means that uniformly illuminates light emitted from the light source; a spatial light modulator that forms an image with pixels arranged in an array; and a pixel array of the spatial light modulator. Pixel shift for performing control to optically shift the optical path of the image light formed by the spatial light modulator formed by the spatial light modulator and passing through the optical element by a predetermined amount in synchronization with the spatial light modulator A display device comprising:
The optical element converts the light distribution of each pixel of the spatial light modulator into an illuminance distribution, and optically changes the optical path of the light of the illuminance distribution by the pixel shifting means in synchronization with the spatial light modulator. In a display device that displays an image having a resolution that is an integral multiple of the spatial light modulator by shifting to
The spatial light modulator is a reflective spatial light modulator,
The optical element is a lens array composed of lenses arranged according to a pixel arrangement, and converts a light distribution distribution of each pixel into an illuminance distribution, and the lens array is arranged immediately before the spatial light modulator,
Polarization separation means for separating illumination light directed from the illumination means toward the spatial light modulator and image light from the spatial light modulator passing through the lens array toward the pixel shifting means;
When a plane including the optical axis of the illumination light incident on the polarization separation means and the optical axis of the image light whose optical path is changed by the polarization separation means is defined as a plane A,
Lens shape of each lens of the lens array, the radius of curvature of the cross-sectional direction of the angle is 45 degrees in the cross-sectional direction or 135 degrees with the plane A is the curvature of the cross section parallel or vertical cross section direction to the surface A A display device characterized in that the value is larger than the radius. 表示手段からの画像光を投射手段によって被投射面に投射して画像表示する投射表示装置において、
前記表示手段として請求項１〜３の何れか一つに記載の表示装置を備え、該表示装置の画素ずらし手段の後に前記投射手段を配備したことを特徴とする投射表示装置。 In the projection display device that projects the image light from the display unit onto the projection surface by the projection unit and displays the image,
A projection display device comprising the display device according to any one of claims 1 to 3 as the display unit, wherein the projection unit is disposed after a pixel shifting unit of the display device.
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