JP6028914B2 - 画像表示システム - Google Patents

Description

本発明は、画像表示システムに関する。

従来から、プロジェクターなどの表示装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。このプロジェクターは、例えば赤緑青（ＲＧＢ）の３色のそれぞれの画像をライトバルブ等で形成し、３色の画像をダイクロイックプリズム等で合成して、合成されたフルカラーの画像を投写レンズなどで投写する。

プロジェクターにおいて、例えば、明るい画像を表示するために緑の光量ロスを抑制すべく、画像を形成する際の偏光状態を緑と赤青とで異ならせる方式が採用されることがある。また、画像を形成する際の偏光状態を赤緑青で揃える方式であっても、投写レンズ等で偏光状態が乱れることにより、結果として偏光状態が赤緑青で異なってしまうこともある。

プロジェクターから出射する光の偏光状態が色によって異なっていると、スクリーンで散乱する光の光量、正反射する光の光量が色によって異なることがある。結果として、視点の位置によっては、画像データに規定された元画像と比較して視認される画像の色味（ホワイトバランス）が変化してしまうこと、色むらが発生することがありえる。そこで、特許文献１では、スクリーン上の水平方向と垂直方向とで光量が揃うように各色光の偏光状態を調整し、特許文献２ではプロジェクターから出射する際の光の偏光状態を無偏光にしている。

ところで、プロジェクターは、例えば複数の視点ごとに異なる画像を表示可能な画像表示システムなどに利用されることがある。この画像表示システムは、例えば画像を立体的に視認可能なものであり、その表示方式の１つとしては、左眼視点の視差画像と右眼視点の視差画像とをプロジェクターによって時間順次で投写し、各視差画像を各視点にシャッターメガネによって振り分けるシャッター方式が挙げられる。シャッターメガネは、例えば、入射側の偏光板を通った偏光を液晶層で変調し、遮断すべき視差画像の光を出射側の偏光板で吸収する構造である。

特開２００７−３０４６０７号公報 特開２００５−３２１５４４号公報

上述のような画像表示システムにあっては、プロジェクターから出射する光（画像光）を無偏光にすることでカラーバランスの崩れを抑制できる。しかしながら、偏光板を介して画像を視認する方式において単に画像光を無偏光にするだけでは、例えばシャッターメガネの入射側の偏光板で画像光の約５０％が遮光されることになり、視認される画像が暗くなるおそれがある。

発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、カラーバランスの崩れや色むらの発生を抑制しつつ、明るい画像を表示できる画像表示システムを提供することを目的の１つとする。

本発明の第１の態様の画像表示システムは、第１色画像を形成するとともに前記第１色画像を示す第１偏光を射出する第１画像形成部、及び第２色画像を形成するとともに前記第２色画像を示す第２偏光を射出する第２画像形成部を含む画像形成部と、前記画像形成部により形成された画像を投写する投写部と、前記投写部によって前記画像が投写される投写面と前記画像形成部との間の光路に配置され、複屈折性を有する光学部材と、前記投写部から前記投写面を経由して視点に向かう光の光路に配置され、前記第１偏光を通すとともに前記第２偏光を遮光する偏光板と、を備え、前記光学部材は、前記第１偏光の偏光方向を入射側の透過軸とする前記光学部材のクロスニコル透過率をＴｃとし、前記光学部材に入射する際の前記第１偏光の光量をＬ１とし、前記光学部材に入射する際の前記第２偏光の光量をＬ２とし、比視感度Ｖとした場合、下記の式；
Ｌ１×Ｔｃ＋Ｌ２（１−Ｔｃ）＞Ｖ×（Ｌ１＋Ｌ２）／２
を満たす。

この態様の画像表示システムは、複屈折性を有する光学部材によって第１色画像を示す光の偏光状態と第２色画像を示す光の偏光状態が調整されるので、カラーバランスの崩れや色むらの発生を抑制できる。また、この画像表示システムは、光学部材についてのクロスニコル透過率Ｔｃが上記の式を満たすので、明るい画像を表現できる。

第１の態様の画像表示システムは、前記第１画像形成部からの前記第１偏光と前記第２画像形成部からの前記第２偏光とを前記投写部に導く導光部を備え、前記光学部材は、前記導光部と前記投写部との間の光路に配置されていてもよい。

この画像表示システムは、第１画像形成部からの光の偏光状態と、第２画像形成部からの光の偏光状態とを同じ光学部材で調整でき、例えば部品数を減らすこと等ができる。

第１の態様の画像表示システムは、前記偏光板を含み、前記投写部による前記投写面上の画像から視点に向かう光を遮光する遮光状態と当該光を通過させる通過状態とを切替え可能な右眼部及び左眼部を有する分離メガネと、前記画像形成部に第１視点用の画像と第２視点用の画像とを時間順次で形成させ、前記画像形成部による前記第１視点用の画像の形成と同期して前記分離メガネに前記右眼部及び前記左眼部のうち一方を前記遮光状態にさせ他方を前記通過状態にさせる制御部と、を備えていてもよい。

この画像表示システムは、３Ｄ表示などのような多視点への表示を可能とするとともに、カラーバランスの崩れや色むらの発生を抑制しつつ、明るい画像を表示できる。

第１の態様の画像表示システムにおいて、前記光学部材は、水晶、サファイア、及び方解石の少なくとも１つを含んでいてもよい。

この画像表示システムは、投写面に入射する画像光の偏光状態を、水晶、サファイア、及び方解石の少なくとも１つが有する複屈折性により調整できる。

第１の態様の画像表示システムは、前記光学部材が水晶からなり、前記光学部材の厚みは、０．１５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下であってもよい。

この画像表示システムは、画像を５％以上明るく表現することができる。

第１の態様の画像表示システムにおいて、前記投写部は、複屈折性を有するレンズ要素を含んでいてもよい。

複屈折性を有するレンズ要素は、例えばプラスチックレンズ等であり、材質が石英などのレンズに比べて軽量、安価である。そのため、この画像表示システムは、軽量化、低コスト化等が可能である。

第１実施形態の画像表示システムを示す図である。 ダイクロイックプリズム及び複屈折性基材を示す図である。 投写面が及ぼす視認光のスペクトルへの影響を説明するための図である。 複屈折性基材のクロスニコル透過率の波長依存性の例を示す図である。 複屈折性基材と投写面を経由した光のスペクトルの例を示す図である。 視点に至る光のスペクトルの例を示す図である。 視点に至る光のスペクトルの他の例を示す図である。 複屈折性基材のクロスニコル透過率の波長依存性の他の例を示す図である。 複屈折性基材のリタデーション値に対する明るさの関係を示す図である。 第２実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。 投写部９のレンズ要素の複屈折性の例を示す図である。 投写部の複屈折性による偏光状態への影響を示す説明図である。

［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態の画像表示システム１を示す図である。この画像表示システム１は、画像を立体的に視認（視認）可能な３Ｄ表示システムであり、プロジェクター２及び分離メガネ３を備える。

プロジェクター２は、例えばＤＶＤプレイヤー、ＰＣなどの信号源から供給される画像データに従って画像を形成し、形成した画像をスクリーンや壁などの投写面ＳＣ（表示画面）に投写する。この信号源とスクリーンの一方または双方は、画像表示システム１の一部であってもよいし、画像表示システム１の外部の装置であってもよい。

プロジェクター２は、画像を２次元的に表現する２Ｄモードと、画像を３次元的に表現する３Ｄモードとを切り替え可能である。３Ｄモードにおいて、プロジェクター２は、左右の眼の視差が加味された１対の視差画像の情報を含む画像データを信号源から供給されて、この画像データに従って視差画像を投写する。プロジェクター２は、一対の視差画像のうちの第１視点Ｖ１用の第１画像として右眼用画像を形成し、続いて第２視点Ｖ２用の第２画像である左眼用画像を形成する。これにより、右眼用画像と左眼用画像は、時間順次で交互に投写される。

本実施形態のプロジェクター２は、いわゆる３板式のプロジェクターである。このプロジェクター２は、各色の画像をライトバルブなどで形成した後に、３色の画像を空間的に重畳すること、あるいは視認者が各色の画像を区別できない程度のリフレッシュレートで３色の画像を時間順次で投写することで、フルカラーの画像を表現可能である。

分離メガネ３は、例えば、各視点用の液晶シャッターが設けられたシャッターメガネである。分離メガネ３は、右眼用画像を視認者（鑑賞者、ユーザー）の右眼（第１視点Ｖ１）に振り分け、左眼用画像を視認者の左眼（第２視点Ｖ２）に振り分ける。このようにして、視認者は、１対の視差画像のうちほぼ左眼用画像のみを左眼で視認し、１対の視差画像のうちほぼ右眼用画像のみを右眼で視認することになり、プロジェクター２が投写した画像を立体的に感じることができる。

次に、画像表示システム１の各部について、より詳しく説明する。

図１のプロジェクター２は、光源４、照明光学系５、画像形成部６、ダイクロイックプリズム７、複屈折性基材８、投写部９、及び制御部１０を備える。プロジェクター２は、光源４からの光（以下、光源光という）を、照明光学系５を介して画像形成部６に照射し、この光を画像形成部６が変調することで画像を形成する。投写部９は、いわゆる投写レンズであり、画像形成部６が形成した画像を投写する。制御部１０は、外部からの画像データの入力、ユーザーからの操作を受けて、画像表示システム１の各部を制御する。

光源４は、超高圧水銀ランプ（ＵＨＰ）などのランプ光源またはＬＥＤなどの固体光源を含み、赤緑青の波長帯を含む光源光（例えば白色光）を発する。赤色光は、例えば、波長が７００ｎｍの光を含み、その波長帯が５９０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満である。緑色光は、例えば、波長が５４６．１ｎｍの光を含み、その波長帯が５００ｎｍ以上５９０ｎｍ未満である。青色光は、例えば波長が４３５．８ｎｍの光を含み、その波長帯が４３０ｎｍ以上５００ｎｍ未満である。

照明光学系５は、光源４からの光源光で画像形成部６（照明領域）を照明する。照明光学系５は、照明領域での照度を均一化する均一化光学系１１と、光源４からの光から３色の色光（赤色光、緑色光、青色光）を分離する色分離光学系１２とを含む。

均一化光学系１１は、例えばフライアイレンズで光源光を空間的に分割して、分割された光束ごとに複数の光源像を形成し、複数の光源像からの光束を照明領域（画像形成部６）で重畳する。均一化光学系１１は、ロッドインテグレータなどで照度を均一化する構成でもよい。

ここでは、均一化光学系１１に、光源４から光の偏光状態を揃える偏光変換素子が設けられており、均一化光学系１１から出射する光は、その偏光状態がほぼ直線偏光に揃えられる。以下の説明においては、適宜、投写面ＳＣ上の第１方向（例えばＺ軸方向）の偏光成分（第１偏光）を垂直偏光成分と称し、投写面ＳＣ上で第１方向と直交する第２方向（例えばＸ軸方向）の偏光成分（第２偏光）を水平偏光成分と称する。均一化光学系１１から出射する際の光の偏光状態は、偏光変換素子によって、例えば水平偏光成分に揃えられる。

色分離光学系１２は、ダイクロイックミラー１３ａ、ダイクロイックミラー１３ｂ、折り曲げミラー１４、及びリレー光学系１５を備える。ダイクロイックミラー１３ａは、赤色光が通過し、緑色光及び青色光が反射する特性を有する。ダイクロイックミラー１３ｂは、緑色光が反射し、青色光が通過する特性を有する。

均一化光学系１１からの光源光のうちの赤色光は、ダイクロイックミラー１３ａを通過した後に、折り曲げミラー１４で反射して画像形成部６に入射する。なお、上述した水平偏光成分は、ダイクロイックミラー１３ａに対するＰ偏光に相当し、垂直偏光成分は、ダイクロイックミラー１３ａに対するＳ偏光に相当する。

均一化光学系１１からの光源光のうちの緑色光は、ダイクロイックミラー１３ａで反射した後に、ダイクロイックミラー１３ｂで反射して画像形成部６に入射する。均一化光学系１１からの光源光のうちの青色光は、ダイクロイックミラー１３ａで反射してダイクロイックミラー１３ｂを通過した後に、リレー光学系１５を通って画像形成部６に入射する。リレー光学系１５とダイクロイックミラー１３ｂとの間の光路には、照度がほぼ均一になる面（赤、緑の照明領域と共役な面）が均一化光学系１１によって形成され、リレー光学系１５は、この面と青の照明領域とを共役にする。以上のように、色分離光学系１２は、各色光を分離する他に、分離した各色光を画像形成部６に導く導光部としても機能する。

画像形成部６は、各色の画像を形成する第１画像形成部６ａ、第２画像形成部６ｂ、及び第３画像形成部６ｃを含む。ここでは、説明の便宜上、第１画像形成部６ａが第１色画像である赤色画像を形成し、第２画像形成部６ｂが第２色画像である緑色画像、第３画像形成部６ｃが第３色画像である青色画像をそれぞれ形成するものとする。

第１画像形成部６ａは、例えばノーマリーブラック型の液晶ライトバルブを含み、形成した赤色画像を示す光（画像光）を射出する。本実施形態において、第１画像形成部６ａは、透過型の液晶パネル１６と、液晶パネル１６の入射側に設けられた偏光板１７ａと、液晶パネル１６の出射側に設けられた偏光板１７ｂとを含む。

照明光学系５から第１画像形成部６ａに入射する赤色光は、偏光変換素子によって概ね水平偏光成分に揃えられており、入射側の偏光板１７ａは、水平偏光成分を通すとともに垂直偏光成分を遮光する。液晶パネル１６は、光変調器駆動部１８（ドライバー）によって駆動され、色分離光学系１２から入射した赤色光（水平偏光成分）を画像データに応じて変調する。出射側の偏光板１７ｂは、例えば、その透過軸が入射側の偏光板１７ａの透過軸と直交して配置され、垂直偏光成分を通すとともに水平偏光成分を遮光する。第１画像形成部６ａにおいて、赤色画像を示す赤色光は、垂直偏光成分となって出射側の偏光板１７ｂを通り、ダイクロイックプリズム７に入射する。

第２画像形成部６ｂは、光変調器駆動部１８によって駆動され、色分離光学系１２から入射した緑色光を画像データに応じて変調することで、緑色画像を形成する。第２画像形成部６ｂから射出される緑色の画像光は、第１画像形成部６ａから射出される赤色の画像光と偏光状態が異なり、概ね水平偏光成分である。

本実施形態において、第２画像形成部６ｂは、透過型の液晶パネル１９と、液晶パネル１９の入射側に設けられた位相板２０と、位相板２０から液晶パネル１９に至る光路に配置された偏光板２１ａ、液晶パネル１６の出射側に設けられた偏光板２１ｂとを含む。

照明光学系５から第２画像形成部６ｂに入射する緑色光は、偏光変換素子によって概ね水平偏光成分に変換されている。位相板２０は、いわゆる１／２波長板であり、照明光学系５からの水平偏光成分を垂直偏光成分に変換する。偏光板２１ａには位相板２０から概ね垂直偏光成分の緑色光が入射し、偏光板２１ａは、垂直偏光成分を通すとともに水平偏光成分を遮光する。

液晶パネル１９は、光変調器駆動部１８によって駆動され、色分離光学系１２から偏光板２１ａを介して入射した緑色光（概ね垂直偏光成分）を画像データに応じて変調する。出射側の偏光板２１ｂは、例えば、その透過軸が入射側の偏光板２１ａの透過軸と直交して配置され、水平偏光成分を通すとともに垂直偏光成分を遮光する。第２画像形成部６ｂにおいて、緑色画像を示す緑色光は、水平偏光成分となって出射側の偏光板２１ｂを通り、ダイクロイックプリズム７に入射する。

第３画像形成部６ｃは、第１画像形成部６ａとほぼ同様の構成である。第３画像形成部６ｃは、光変調器駆動部１８によって駆動され、色分離光学系１２から入射した青色光を画像データに応じて変調することで青色画像を形成し、形成した青色画像を示す画像光を射出する。第３画像形成部６ｃから出射する際の画像光は、第１画像形成部６ａと同様にほぼ垂直偏光成分であり、ダイクロイックプリズム７に入射する。

図２は、ダイクロイックプリズム７及び複屈折性基材８を示す図である。ダイクロイックプリズム７は、画像形成部６から出射した画像光を投写部９に導く導光部である。ダイクロイックプリズム７は、入射光の波長に応じて入射光が反射又は透過する特性の波長分離膜２２ａ及び波長分離膜２２ｂを含み、波長分離膜２２ａ及び波長分離膜２２ｂは、互いに直交するように配置されている。波長分離膜２２ａは、青色光と緑色光とが透過するとともに赤色光が反射する特性である。ダイクロイックプリズム７のもう一つの波長分離膜２２ｂは、緑色光と赤色光とが透過するとともに青色光が反射する特性である。

画像形成部６からダイクロイックプリズム７に入射した各色光は、波長分離膜２２ａ及び波長分離膜２２ｂでの反射又は透過により、進行方向が揃ってダイクロイックプリズム７から出射する。換言すると、ダイクロイックプリズム７は、画像形成部６からの３色の画像光が同じ光路を通るように光路を調整する、光路調整部材である。例えば、画像形成部６において、赤色画像、緑色画像、及び青色画像がほぼ同時に形成される場合に、ダイクロイックプリズム７は、これら３色の画像を合成する色合成部として機能する。

ここで、ダイクロイックプリズム７に入射する際の各色光の偏光状態は、赤色光Ｌｒが概ね垂直偏光成分（図２に符号Ｐｖ１で示す）であり、緑色光Ｌｇが概ね水平偏光成分（図２に符号Ｐｈで示す）、青色光Ｌｂが概ね垂直偏光成分（図２に符号Ｐｖ２で示す）である。ダイクロイックプリズム７は、入射光の偏光状態をほとんど変化させないので、ダイクロイックプリズム７から出射する画像光Ｌｉは、垂直偏光成分（赤色光Ｌｒ、青色光Ｌｂ）及び水平偏光成分（緑色光Ｌｇ）を含むことになる。この画像光Ｌｉは、複屈折性基材８に入射する。

複屈折性基材８は、複屈折性を有する光学部材であり、例えば水晶、サファイア、及び方解石の少なくとも１つを含む。複屈折性基材８は進相軸８ａを含む面内での屈折率ｎ１と、遅相軸８ｂを含む面内での屈折率ｎ２とが異なる。進相軸８ａと遅相軸８ｂは、互いに直交しており、それぞれ垂直偏光成分の偏光方向と水平偏光成分の偏光方向のいずれとも異なる方向に設定される。

例えば、進相軸８ａは、垂直偏光成分の偏光方向に対して第１回転方向（例えば＋Ｙ側から見て時計回り）に約４５°の角度をなす方向に設定され、水平偏光成分の偏光方向に対して第１回転方向とは逆の第２回転方向（例えば＋Ｙ側から見て反時計回り）に約４５°の角度をなす方向に設定される。また、遅相軸８ｂは、垂直偏光成分の偏光方向に対して例えば＋Ｙ側から見て反時計回りに約４５°の角度をなす方向に設定され、水平偏光成分の偏光方向に対して例えば＋Ｙ側から見て時計回りに約４５°の角度をなす方向に設定される。

複屈折性基材８は、画像形成部６からの画像光Ｌｉに、リタデーション値Ｒに応じた位相差を付与する。リタデーション値Ｒは、進相軸８ａに対応する屈折率ｎ１、遅相軸８ｂに対する屈折率ｎ２、進相軸８ａ及び遅相軸８ｂのそれぞれに直交する方向（例えばＹ軸方向）の複屈折性基材８の平均寸法（厚みｄ）を用いて、下記の式（１）であらわされる。
Ｒ＝（ｎ１−ｎ２）×ｄ ・・・（１）

また、複屈折性基材８が付与する位相差δは、リタデーション値Ｒ、入射光の波長λ、円周率πを用いて下記の式（２）で表される。式（２）に示すように、位相差δは波長の関数であり、複屈折性基材８に入射した画像光Ｌｉには、各波長成分ごとに波長に応じた位相差が付与される。
δ＝２π×Ｒ／λ ・・・（２）

図１の説明に戻り、複屈折性基材８を通った画像光Ｌｉは、投写部９を介して投写面ＳＣに投射され、これにより投写面ＳＣに画像が表示される。投写面ＳＣ上の各点で反射散乱した光の少なくとも一部（以下、視認光Ｌｖという）は、分離メガネ３に入射する。

分離メガネ３は、第１視点Ｖ１（例えば右眼）に向かう視認光Ｌｖが入射する右眼部３ａと、第２視点（例えば左眼）に向かう視認光Ｌｖが入射する左眼部３ｂとを備える。右眼部３ａと左眼部３ｂは、それぞれ、液晶パネルと、この液晶パネルの入射側に配置された入射側偏光板と、この液晶パネルの出射側に配置された出射側偏光板とを備える。この入射側偏光板は、投写部９から投写面ＳＣを経由して視点に向かう光の光路に配置され、第１偏光（垂直偏光成分）を通すとともに第２偏光（水平偏光成分）を遮光する偏光板である。

右眼部３ａと左眼部３ｂのそれぞれは、その液晶パネルが制御部１０により制御されることで、入射してくる視認光Ｌｖを通過させる通過状態と視認光Ｌｖを遮光する遮光状態とを時間的に切り替える。例えば、制御部１０は、画像形成部６を制御することで右眼用画像を形成させ、右眼用画像が形成されている間に右眼部３ａを通過状態、左眼部３ｂを遮光状態に制御する。また、制御部１０は、画像形成部６を制御することで左眼用画像を形成させ、左眼用画像が形成されている間に左眼部３ｂを通過状態、右眼部３ａを遮光状態に制御する。結果として、視認者は、視差画像のうち左眼用画像のみを左眼で視認し、視差画像のうち右眼用画像のみを右眼で視認することができ、画像を立体的に認識することができる。

ところで、投写型の画像表示装置（画像表示システム）にあっては、投写面に入射する際の画像光の偏光状態が色によって異なっていると、視認者が視認する画像（視認画像）のカラーバランスの崩れ（元画像の再現性の低下）、色むらなどの不都合が発生することがありえる。次に、このような不都合が発生する理由について説明する。

図３は、投写面が及ぼす視認光のスペクトルへの影響を説明するための図である。図３において、スペクトルＳｐ１は、投写面に入射する際の画像光のうちの垂直偏光成分のスペクトルを示し、スペクトルＳｐ２は、投写面に入射する際の画像光のうちの水平偏光成分のスペクトルを示す。ここでは、説明の便宜上、赤と青の波長帯の光がほぼ垂直偏光成分であり、緑の波長帯の光がほぼ水平偏光成分であるとする。すなわち、画像データに規定された元画像に相当するスペクトルは、スペクトルＳｐ１とスペクトルＳｐ２の和になり、図３の例において、元画像の色座標は（０．３１，０．３６）になる。

まず、投写面がマットスクリーンのように散乱性である場合を想定する。説明の便宜上、投写面は、垂直偏光成分と水平偏光成分の散乱の比が１：０．８のスクリーンであるものとし、この投写面で画像光の垂直偏光成分が１００％散乱するものとする。この場合に、画像光の水平偏光成分は、その８０％が投写面で散乱し、残りの２０％が投写面で正反射する。スペクトルＳｐ３は、このような投写面を経由して視点に向かう視認光のうち画像光の水平偏光成分に由来する光のスペクトルを示す。なお、この視点は、プロジェクターからの光が投写面で正反射して向かう位置とは、別の位置であり、スペクトルＳｐ３は、この様な視点から投写面を、偏光板を介することなく視認したときの緑の波長帯のスペクトルに対応する。

図３の例において、視認光のうち緑の波長帯の光に対応するスペクトルＳｐ３は、画像光のうち緑の波長帯の光に対応するスペクトルＳｐ２に対して光強度が８０％程度になる。視認者が視認する画像（視認画像）のスペクトルは、スペクトルＳｐ１とスペクトルＳｐ３との和になり、視認画像の色座標は（０．３０，０３３）になる。すなわち、視認画像は、色座標が（０．３１，０．３６）の元画像に対してマゼンダに近くなり、元画像から色味が変化してしまう。

次に、投写面がシルバースクリーンなどの反射性の（ゲインが高い）投写面である場合を想定する。ここでは、投写面上の画像を、シャッター眼鏡の偏光板（入射側偏光板）を介して視認するものとし、シャッター眼鏡の入射側偏光板の透過軸が垂直偏光成分の偏光方向とほぼ平行、すなわち入射側偏光板の遮光軸が水平偏光成分の偏光方向とほぼ平行であるものとする。このような条件において、例えば図３に示したスペクトルＳｐ１およびスペクトルＳｐ２のような画像光は、そのうちの水平偏光成分（スペクトルＳｐ２）のほとんどがシャッター眼鏡で遮光されることになる。結果として、視認者は、視認光のうちスペクトルＳｐ１の光のみに由来する画像を視認することになり、視認画像の色座標は（０．２９，０．１３）になる。このような条件においても、視認画像は、元画像から色味が変化してしまう。

上述の色味の変化を抑制するには、投写面に入射する際の画像光を無偏光にすればよく、画像光を無偏光にするには、例えば、複屈折性を有する光学部材（複屈折性基材）を、画像形成部と投写面との間の光路に配置すればよい。

図４は、複屈折性基材のクロスニコル透過率Ｔｃの波長依存性の一例を示す図である。図４の例において、複屈折性基材は、ほぼ平板状の水晶であり、その厚みが約０．５ｍｍである。図４の縦軸に示すクロスニコル透過率Ｔｃは、複屈折性基材の入射側と出射側とに互いに透過軸が直交（クロスニコル）するように偏光板を配置した場合の透過率である。この透過率は、入射側の偏光板を通った際の各波長の光の強度に対する、出射側の偏光板から出射した際の各波長光の強度を規格化した値である。図４の例において、複屈折性基材は、可視光（例えば、可視光のうち最も長波長の赤色光）に付与する位相差δが２πよりも大きいものである。

ここで、クロスニコル配置の入射側の偏光板を通る偏光を第１直線偏光、出射側の偏光板を通る偏光を第２直線偏光とする。クロスニコル透過率Ｔｃが１００％の波長（例えば約５５０ｎｍ）においては、クロスニコル配置の出射側の偏光板に第２直線偏光が入射することを示しており、この波長の光には、複屈折性基材によってπ／２の位相差が付与されていることになる。

また、クロスニコル透過率が０％の波長（例えば約４５０ｎｍ）においては、クロスニコル配置の出射側の偏光板に第１直線偏光が入射することを示しており、この波長の光には複屈折性基材によってπの位相差が付与されていることになる。

また、クロスニコル透過率が５０％の波長（例えば約５００ｎｍ）においては、クロスニコル配置の出射側の偏光板に円偏光が入射することを示しており、この波長の光には、複屈折性基材によってπ／４の位相差が付与されていることになる。

図５は、複屈折性基材を通った後に投写面を経由した光のスペクトルの一例を示す図である。ここで、複屈折性基材に入射する際の光（画像光）のスペクトルは、図３に示したスペクトルＳｐ１及びスペクトルＳｐ２の和であり、投写面は、図３と同様の散乱性のスクリーンである。また、複屈折性基材の複屈折性は、図４に示した例とほぼ同じである。図５において、スペクトルＳｐ４は、投写面を経由した視認光のうち垂直偏光成分に対応するスペクトルであり、スペクトルＳｐ５は、投写面を経由した視認光のうち水平偏光成分に対応するスペクトルである。

図５に示すように、画像光のうちの垂直偏光成分（図３のスペクトルＳｐ１）は、複屈折性基材を通ることで各波長における偏光状態が変化し、その少なくとも一部が水平偏光成分に変化する。同様に、画像光のうちの水平偏光成分（図３のスペクトルＳｐ２）は、その少なくとも一部が垂直偏光成分に変化する。結果として、投写面に入射する際の画像光は、各色光の波長帯域において垂直偏光成分および水平偏光成分を含むことになり、投写面で散乱した光（視認光）の光強度が特定の色に偏ることが抑制される。

このように、投写面に入射する際の画像光の偏光状態を調整することで、カラーバランスの崩れや色むらの発生を抑制できる。しかしながら、シャッター方式の３Ｄ表示方式などにおいて、画像光が無偏光に近い状態であるほど、シャッター眼鏡（分離メガネ３）の入射側偏光板で遮光される光の光量が５０％に近づくことになり、光の利用効率が低下してしまう。結果として、視認画像が暗くなり、視認画像の品質が低下することがありえる。

そこで、本実施形態の画像表示システム１は、複屈折性基材８のリタデーション値が所定の条件を満たすことで、カラーバランスの崩れや色むらの発生を抑制しつつ、明るい画像を表示可能にしたものである。以下、その原理について説明する。

式（１）に示したように、水晶の厚み（ｄ）が増すほど水晶のリタデーション値（Ｒ）が増加し、これに伴って、各波長の光に付与される位相差（δ）も増加する。すなわち、水晶の厚み（ｄ）が増すほど、図４に示したクロスニコル透過率Ｔｃが極大となる波長の間隔が狭くなり、クロスニコル透過率Ｔｃが極大となる波長がシフトする。

本願発明者は、画像形成部６から出射する際の画像光のスペクトル（図３参照）において、光強度が極大となる波長、光強度が極小となる波長があることに着目し、画像光のうち光強度が相対的に大きい波長とクロスニコル透過率Ｔｃが極大となる波長とを合わせることで、分離メガネ３での光のロスを低減できることを見出した。本実施形態の画像表示システム１は、複屈折性基材８のリタデーション値（厚み）が所定の条件を満たすことにより、画像光を無偏光にするよりも明るい画像を表現可能にする。

図６は、視点に至る光のスペクトルの一例を示す図である。図６のスペクトルＳｐ６、スペクトルＳｐ７は、それぞれ、複屈折性基材として水晶を用いた場合に分離メガネ３を通る光のスペクトルであり、水晶の厚みが互いに異なっている。スペクトルＳｐ６は水晶の厚みが０．５ｍｍである場合のスペクトルであり、スペクトルＳｐ７は水晶の厚みが１．０ｍｍである場合のスペクトルである。

図６の例において、複屈折性基材に入射する際の画像光のスペクトルは、図３のスペクトルＳｐ１およびスペクトルＳｐ２とほぼ同じであり、投写面は図３で説明した散乱性のスクリーンとほぼ同じである。図６のように、複屈折性基材のリタデーション値の違いによって、視点に到達する光のスペクトルが変化することが確認された。

図７は、視点に至る光のスペクトルの他の例を示す図である。図７のスペクトルＳｐ８は、厚みが０．４７ｍｍの水晶を複屈折性基材に用いた場合に、分離メガネ３を通る光（視点に到達する光）のスペクトルである。図７には、水晶の厚み（リタデーション値）の違いによるスペクトルの比較のために、図６のスペクトルＳｐ６（水晶の厚みが０．５ｍｍ）についても合わせて図示した。

ここで、分離メガネ３を通る光の光量（視認画像の明るさ）は、例えば各波長における光強度と比視感度との積を可視光の波長帯で積分した値で評価できる。図７において、水晶の厚みが０．４７ｍｍであるときのスペクトルＳｐ８に対応する視認画像の明るさを１００％とすると、水晶の厚みが０．５０ｍｍであるときのスペクトルＳｐ５に対応する視認画像の明るさは９３％程度と見積もられる。このように、水晶（複屈折性基材）の厚み（リタデーション値）を調整することで、視認画像の明るさを調整可能であることが確認された。

図８は、複屈折性基材のクロスニコル透過率Ｔｃの波長依存性の他の例を示す図である。画像光のスペクトルは、例えば図３のスペクトルＳｐ１およびスペクトルＳｐ２の和であり、複屈折性基材のリタデーション値は、このような画像光の波長帯にクロスニコル透過率Ｔｃの極小と極大がそれぞれ１つ以上含まれるように、設定される。

例えば、図３のスペクトルＳｐ１は青と赤の波長帯の垂直偏光成分に対応し、スペクトルＳｐ２は緑の波長帯の水平偏光成分に対応しており、このような画像光に対して、複屈折性基材のリタデーション値（図８参照）は、青の波長帯と赤の波長帯のそれぞれにクロスニコル透過率の極大を有し、かつ緑の波長帯にクロスニコル透過率の極小を有するように、設定される。

ここで、画像光の波長帯におけるクロスニコル透過率の極値（極大または極小）の数が少ないことは、複屈折性基材のリタデーション値が小さい（厚みが薄い）ことに対応する。例えば、複屈折性基材として水晶を用いる場合に、赤、緑、青の波長帯のそれぞれにクロスニコル透過率の極値を１づつ有するような厚みは、約０．１５ｍｍであり、複屈折性基材８としての水晶の厚みは、０．１５ｍｍ以上であってもよい。

図９は、複屈折性基材のリタデーション値に対する明るさの関係を示す図である。図９の横軸は、複屈折性基材としての水晶の厚みを示し、図９の縦軸は、分離メガネ３を通る光の光量、すなわち視認画像の明るさを示す。この視認画像の明るさは、投写面に入射する際の画像光が円偏光である場合に分離メガネ３を通る光の光量（以下、基準光量Ｌ０という）を１として、基準化した値である。画像光が円偏光である場合には、その光量の半分が分離メガネ３の入射側偏光板で遮光されると見積もられるので、基準光量Ｌ０は、複屈折性基材に入射する際の垂直偏光成分（第１偏光）の光量Ｌ１、複屈折性基材に入射する際の水平偏光成分（第２偏光）の光量Ｌ２、比視感度Ｖを用いて、下記の式（３）で表される。
Ｌ０＝Ｖ×（Ｌ１＋Ｌ２）／２ ・・・（３）

ここで、複屈折性基材のクロスニコル透過率Ｔｃは、垂直偏光成分の偏光方向を入射側偏光板の透過軸とするクロスニコル配置である場合に、下記の式（４）で表される。

また、分離メガネ３を通る光の光量Ｌ４は、複屈折性基材のクロスニコル透過率Ｔｃを用いて、下記の式（５）で表される。

以上のような観点で、本実施形態においては、複屈折性基材８のクロスニコル透過率Ｔｃが下記の式（６）を満たすように設定されており、これにより、画像表示システム１は、カラーバランスの崩れや色むらの発生を抑制しつつ、明るい画像を表示できる。
Ｌ１×Ｔ＋Ｌ２（１−Ｔｃ）＞Ｖ×（Ｌ１＋Ｌ２）／２・・・（６）

なお、第１偏光が垂直偏光、第２偏光が水平偏光として説明したが、第１偏光が水平偏光、第２偏光が垂直偏光であってもよい。この場合に、上記の式のＬ１は水平偏光成分の光量、Ｌ２は垂直偏光成分の光量となり、分離メガネ３の入射側偏光板は、水平偏光を通すように設けられる。

また、複屈折性基材８が水晶を含み、その厚みが０．１５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の範囲から選択されていてもよい。この範囲内に水晶の厚みが設定されていると、視認画像を５％以上明るく（図９に破線Ｘで示す）することができ、格段に明るい画像を表現できる。また、図９において、明るさが極大となる複屈折性基材の厚みは複数存在するが、厚みが０．１５ｍｍ以上０．５７ｍｍ以下の範囲においては、厚みが減るほど明るさの極大値が急峻に増加している。そのため、複屈折性基材８が水晶を含み、その厚みが０．１５ｍｍ以上０．５７ｍｍ以下の範囲から選択されていると、さらに明るい画像を表現できる。

以上のように、本実施形態の画像表示システム１は、プロジェクター２から出射する際の画像光Ｌｉが各色の波長帯に垂直偏光成分および水平偏光成分を含んでいるので、カラーバランスの崩れや色むらの発生を抑制できる。また、画像表示システム１は、複屈折性基材８のクロスニコル透過率Ｔｃが上記の式（６）を満たすので、無偏光の画像光を投射する場合よりも明るい画像を表現できる。このように、本実施形態の画像表示システム１は、高品質な画像を表現できる。

また、本実施形態において、複屈折性基材８は、クロスダイクロイックプリズム７と投写部９との間の光路に配置されている。クロスダイクロイックプリズム７を経由した各色の画像光は同じ光路を通り、この光路に複屈折性基材８が配置されているので、各色の画像光の偏光状態をそれぞれ複屈折性基材８によって調整できる。そのため、各色の画像光ごとに複屈折性基材を設ける構成よりも、部品数を減らすことなどができる。

ところで、画像光の色ごとの偏光状態が異なることによるカラーバランスの崩れの発生を抑制する手法として画像光の偏光状態を狭帯域位相板などで揃える手法が考えられる。狭帯域位相板は、所定の波長帯の光（例えば緑色光）に対して所定の位相を付与するとともに、所定の波長帯以外の光（例えば、赤色光および青色光）に対して位相を付与しない。

狭帯域位相板を用いると、画像光の各色光の投写面での散乱状態を揃えることができるが、下記のような不都合が発生することがありえる。狭帯域位相板は、積層された延伸フィルム等からなり反り等をなくすことが難しいため、投写部の結像性能が低下するおそれがある。また、狭帯域位相板は、有機材料からなるので熱や光で劣化するおそれがあり、プロジェクターの短寿命化を招くおそれがある。

本実施形態の画像表示システム１は、複屈折性基材８によって偏光状態を調整することでカラーバランスの崩れの発生を抑制できるので、狭帯域位相板を省くことができる。結果として、結像性能の低下、短寿命化、高コスト化などを避けることができる。なお、本実施形態の画像表示システム１は、狭帯域位相板を備えていてもよく、この場合にもカラーバランスの崩れの発生等を抑制しつつ明るい画像を表現できる。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。本実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。

図１０は、第２実施形態に係るプロジェクター２の概略構成を示す図である。プロジェクター２の投写部９は、複数のレンズ要素を含み、その少なくとも１つが複屈折性を有するレンズ要素である。

図１１は、投写部９のレンズ要素９ａの複屈折性の一例を示す図である。図１１に示すように、レンズ要素９ａは、レンズ要素９ａを通る光の各波長成分に対して波長に応じた位相差を付与する。各波長成分に付与する位相差は、その波長に応じて変化し、図１１の例では波長が短くなるほど大きくなる。

図１２は、投写部９の複屈折性による偏光状態への影響を示す説明図である。図１３には、符号Ｓｐ９で示すスペクトルの直線偏光（垂直偏光成分）が投写部９に入射したときに、投写部９から出射する光の垂直偏光成分のスペクトルＳｐ１０および水平偏光成分のスペクトルＳｐ１１の例を図示した。

スペクトルＳｐ９は、例えば、複屈折性基材８の代わりに第実施形態で説明した狭帯域位相板が設けられている構成において、投写部に入射する画像光のスペクトルに相当する。このような画像光は、投写部を通ることで各波長成分ごとに位相差が付与され、楕円偏光になる。そのため、投写部から出射する際の画像光の各波長成分は、図１２に示すように、垂直偏光成分と水平偏光成分とを含むことになる。

図１２に示したように、レンズ要素９ａが付与する位相差が波長に応じて異なっているので、投写部から出射した画像光の各波長成分に占める垂直偏光成分と水平偏光成分の比率は、波長ごとに異なることになる。そのため、画像光の投写面での散乱状態は波長によって異なることになり、視認画像のカラーバランスが崩れることがありえる。換言すると、投写部に入射する画像光の偏光状態を狭帯域位相板で揃えた場合であっても、カラーバランスが崩れや色むらが発生する可能性がある。

本実施形態の画像表示システム１は、第１実施形態で説明したような複屈折性基材８によって画像光の偏光状態を調整する。そのため、画像表示システム１は、画像形成部６から投写部９に至る光路（図１参照）に狭帯域位相板が設けられている構成、投写部９のレンズ要素が複屈折性を有している構成のいずれの構成においても、カラーバランスが崩れや色むらの発生を抑制しつつ、明るい画像を表現できる。

また、複屈折性を有するレンズ要素は、例えばプラスチックレンズ等であり、材質が石英などのレンズに比べて一般的に軽量、安価である。そのため、画像表示システム１は、軽量化、低コスト化等が可能である。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、上記の実施形態で説明した要件の少なくとも１つは、省略されることある。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。

なお、光源は、レーザー素子などを含んでいてもよく、例えば各色用の画像形成部ごとに設けられており、この画像形成部に応じた色の光源光を発するものでもよい。画像形成部は、反射型の液晶ライトバルブ、デジタルミラーデバイスなどで画像を形成する構成でもよい。例えば、シングルモードのレーザー素子は直線偏光を発することが可能であり、緑色用の画像形成部に対応するレーザー素子は、発するレーザー光の偏光状態が、他の色用の画像形成部に対応するレーザー素子と異なっていてもよい。この構成において、ライトバルブとしてデジタルミラーデバイスを用いると、画像光のうち緑色光の偏光状態を他の色光と異ならせることができる。

なお、第２画像形成部６ｂにおいて、位相板２０は、入射側の偏光板２１ａと液晶パネル１６との間の光路に配置されていてもよいし、液晶パネル１６とダイクロイックプリズム７との間の光路に配置されていてもよい。第２画像形成部６ｂにおいて、液晶パネル１６の入射側及び出射側に配置される偏光板の透過軸の方向は、第２画像形成部６ｂから出射する際の緑色光の偏光状態が、第１画像形成部６ａから出射する際の赤色光の偏光状態と異なるように、位相板２０の位置に応じて設定される。

また、光源４から第２画像形成部６ｂに至る光路のいずれかの位置に、光源光のうちの緑色光のみの偏光状態を変化させる狭帯域位相板を設けることで、画像光のうち緑色光の偏光状態を他の色光と異ならせることもできる。

また、均一化光学系１１において光の偏光状態を垂直偏光成分に揃える構成として、第１画像形成部６ａ及び第３画像形成部６ｃから出射される光の偏光状態を垂直偏光成分とし、第２画像形成部６ｂから出射される光の偏光状態を水平偏光成分とするように、位相板及び液晶パネル１６の入射側及び出射側に配置される偏光板の透過軸の方向を適宜配置させることもできる。

また、色分離光学系１２のダイクロイックミラー１３ａを青色光が透過し、緑色光及び赤色光が反射する特性に変更し、ダイクロイックミラー１３ｂを赤色光が透過し、緑色光が反射する特性に変更することができる。その場合、第１画像形成部６ａが第１色画像である青色画像を形成し、第２画像形成部６ｂが第２色画像である緑色画像、第３画像形成部６ｃが第３色画像である赤色画像をそれぞれ形成する。

なお、複屈折性基材は、画像形成部６から投写面ＳＣに至る光路のいずれの位置に配置されていてもよく、例えば、各色用の画像形成部６ごとに、画像形成部６とダイクロイックプリズム７との間の間に配置されていてもよい。また、複屈折性基材８は、投写部９に含まれていてもよいし、投写部９の出射側に設けられていてもよい。画像形成部６からの画像光が通る複屈折性基材８の数は、１つでもよいし２以上でもよく、画像光が複数の複屈折性基材を通る場合には、クロスニコル透過率Ｔｃは、複数の複屈折性基材での合算値を用いることができる。

１ 画像表示システム、２ プロジェクター、３ 分離メガネ、６ 画像形成部、６ａ 第１画像形成部、６ｂ 第２画像形成部、６ｃ 第３画像形成部、７ ダイクロイックプリズム（導光部）、８ 複屈折性基材（光学部材）、９ 投写部、ＳＣ 投写面
、Ｔｃ クロスニコル透過率、Ｖ１ 第１視点、Ｖ２ 第２視点

Claims (6)

1. 第１色画像を形成するとともに前記第１色画像を示す第１偏光を射出する第１画像形成部、及び第２色画像を形成するとともに前記第２色画像を示す第２偏光を射出する第２画像形成部を含む画像形成部と、
   前記画像形成部により形成された画像を投写する投写部と、
   前記投写部によって前記画像が投写される投写面と前記画像形成部との間の光路に配置され、複屈折性を有する光学部材と、
   前記投写部から前記投写面を経由して視点に向かう光の光路に配置され、前記第１偏光を通すとともに前記第２偏光を遮光する偏光板と、を備え、
   前記光学部材は、前記第１偏光の偏光方向を入射側の透過軸とする前記光学部材のクロスニコル透過率をＴｃとし、前記光学部材に入射する際の前記第１偏光の光量をＬ１とし、前記光学部材に入射する際の前記第２偏光の光量をＬ２とし、比視感度Ｖとした場合、下記の式；
   Ｌ１×Ｔｃ＋Ｌ２（１−Ｔｃ）＞Ｖ×（Ｌ１＋Ｌ２）／２
   を満たす画像表示システム。
2. 前記第１画像形成部からの前記第１偏光と前記第２画像形成部からの前記第２偏光とを前記投写部に導く導光部を備え、
   前記光学部材は、前記導光部と前記投写部との間の光路に配置されている
   請求項１記載の画像表示システム。
3. 前記偏光板を含み、前記投写部による前記投写面上の画像から視点に向かう光を遮光する遮光状態と当該光を通過させる通過状態とを切替え可能な右眼部及び左眼部を有する分離メガネと、
   前記画像形成部に第１視点用の画像と第２視点用の画像とを時間順次で形成させ、前記画像形成部による前記第１視点用の画像の形成と同期して前記分離メガネに前記右眼部及び前記左眼部のうち一方を前記遮光状態にさせ他方を前記通過状態にさせる制御部と、を備える
   請求項１又は２記載の画像表示システム。
4. 前記光学部材は、水晶、サファイア、及び方解石の少なくとも１つを含む
   請求項１〜３のいずれか一項記載の画像表示システム。
5. 前記光学部材が水晶からなり、前記光学部材の厚みは、０．１５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下である
   請求項４記載の画像表示システム。
6. 前記投写部は、複屈折性を有するレンズ要素を含む
   請求項１〜５のいずれか一項記載の画像表示システム。

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