WO2020045025A1

WO2020045025A1 - 照明装置、および表示装置

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Publication number: WO2020045025A1
Application number: PCT/JP2019/031308
Authority: WO
Inventors: 崇宏望月
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2020-03-05
Also published as: CN112585532B; JP7314946B2; JPWO2020045025A1; EP3845964A1; CN112585532A; EP3845964A4; KR20210048495A; US11153541B2; US20210168340A1

Abstract

本開示の照明装置は、互いに偏光方向の異なる第１の偏光成分と第２の偏光成分とを含む光を出射する光源部（３０）と、光源部（３０）から出射された光に基づいて、光強度変調素子（５１）において第１の輝度領域の画像の生成に用いられる第１の照明光（ＳＤＲ照明光）と、光強度変調素子（５１）において第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域の画像の生成に用いられる第２の照明光（ＨＤＲ照明光）とを生成して出射する光位相変調素子（１）とを備える。光位相変調素子（１）は、光源部から出射された光のうち第１の偏光成分の光を位相変調せずに第１の照明光として出射し、光源部から出射された光のうち第２の偏光成分の光を、第２の輝度領域の画像に基づいて位相変調して第２の照明光として出射する。

Description

照明装置、および表示装置

　本開示は、高いダイナミックレンジを実現可能な照明装置、および表示装置に関する。

　本物の景色を見ているようなリアリティのある映像を提供できるディスプレイの実現手段として、高いピーク輝度や高ダイナミックレンジを実現することがその１つとして挙げられる。近年では、ダイナミックレンジを高める技術として、ＨＤＲ規格が注目されている。例えば、特許文献１では、高ピーク輝度、高ダイナミックレンジな高輝度投影ディスプレイの実現のために、低輝度レベルの画像領域を担当するメインプロジェクタと、高輝度レベル以上の画像領域を担当するハイライトプロジェクタとを組み合わせる技術が提案されている。この技術では、ハイライトプロジェクタとメインプロジェクタとで別々の光源を使っている。

特開２０１７－１４２５０８号公報

　ハイライトプロジェクタとメインプロジェクタとを組み合わせる技術では、別々の光源を使うため、光源選択の自由度が増す一方、光学系の構成が複雑になってしまう。

　シンプルな構成で、高いダイナミックレンジを実現することが可能な照明装置、およびプロジェクタを提供することが望ましい。

　本開示の一実施の形態に係る照明装置は、互いに偏光方向の異なる第１の偏光成分と第２の偏光成分とを含む光を出射する光源部と、光源部から出射された光に基づいて、光強度変調素子において第１の輝度領域の画像の生成に用いられる第１の照明光と、光強度変調素子において第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域の画像の生成に用いられる第２の照明光とを生成して出射する光位相変調素子とを備え、光位相変調素子は、光源部から出射された光のうち第１の偏光成分の光を位相変調せずに第１の照明光として出射し、光源部から出射された光のうち第２の偏光成分の光を、第２の輝度領域の画像に基づいて位相変調して第２の照明光として出射する。

　本開示の一実施の形態に係る表示装置は、照明装置と、照明装置からの照明光を強度変調して画像を生成する光強度変調素子とを含み、照明装置を、本開示の一実施の形態に係る照明装置で構成する。

　本開示の一実施の形態に係る照明装置、または表示装置では、光位相変調素子が、光強度変調素子において第１の輝度領域の画像の生成に用いられる第１の照明光と、光強度変調素子において第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域の画像の生成に用いられる第２の照明光とを生成して出射する。光位相変調素子は、光源部から出射された光のうち第１の偏光成分の光を位相変調せずに第１の照明光として出射し、光源部から出射された光のうち第２の偏光成分の光を、第２の輝度領域の画像に基づいて位相変調して第２の照明光として出射する。

本開示の第１の実施の形態に係る表示装置によって生成される画像の概要を模式的に示す説明図である。第１の実施の形態に係る表示装置によって生成される画像の輝度値のヒストグラムの第１の例を模式的に示す説明図である。第１の実施の形態に係る表示装置によって生成される画像の輝度値のヒストグラムの第２の例を模式的に示す説明図である。第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の全体構成の一例を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第１の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第２の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第３の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第４の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第５の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第６の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第７の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。第１の実施の形態の第８の構成例に係るプロジェクタの要部構成を概略的に示す構成図である。

　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
　０．比較例
　１．第１の実施の形態
　　１．０　第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の概要
　　１．１　第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の全体構成例（図１～図４）
　　１．２　第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の要部構成例（図５～図１２）
　　１．３　効果
　２．その他の実施の形態

＜０．比較例＞
（比較例に係る照明装置および表示装置の概要と課題）
　屋外で撮影された太陽は、その明るさを測定すると例えば１０，０００ｃｄ／ｍ²を超える。一方、夜に撮影された夜空は例えば０．００１ｃｄ／ｍ²以下ときわめて暗い。このような暗いシーンから、１０，０００ｃｄ／ｍ²を超える明るいシーンまでの高いダイナミックレンジの映像を忠実に再現することができれば、かなりリアリティのある表示装置になる。

　しかしながら、一般的なプロジェクタのような表示装置でこのような高ダイナミックレンジを実現するのは困難である。なぜならば、例えば１００インチ前後のスクリーンサイズの映像を投影するプロジェクタを想定した場合、現在世の中に広く普及しているプロジェクタでは高々５００ｃｄ／ｍ²程度の輝度しかないため、光源の輝度を数十倍から百倍以上にしなければ１００インチでピーク輝度１０，０００ｃｄ／ｍ²以上を実現できない計算となり、現実的ではないからである。

　これに対して、特許文献１では、高ピーク輝度、高ダイナミックレンジなプロジェクタの実現のために、メインプロジェクタとハイライトプロジェクタとを組み合わせる技術が提案されている。特許文献１に記載の技術では、メインプロジェクタが画像における比較的暗い部分、例えば一般的なプロジェクタでも表現できるような低輝度レベルの画像領域を担当し、もう一方のハイライトプロジェクタが例えば一般的なプロジェクタでは表現できない高輝度レベル以上の画像領域を担当している。それら２つの輝度レベルの画像をプロジェクタ内、もしくはスクリーン上で重ね合わせることで、高ピーク輝度、高ダイナミックレンジな画像を実現している。

　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ハイライトプロジェクタとメインプロジェクタとで別々の光源を使っているため、光源選択の自由度が増す一方、光学系の構成が複雑になってしまう。

　そこで、シンプルな構成で、高いダイナミックレンジを実現することが可能となる照明装置、および表示装置の開発が望まれる。

＜１．第１の実施の形態＞
［１．０　第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の概要］
　図１は、本開示の第１の実施の形態に係る表示装置によって生成される画像の概要を模式的に示している。

　本実施の形態に係る表示装置は、例えばプロジェクタであり、本実施の形態に係る照明装置からの照明光を強度変調して画像（投影画像）を生成する光強度変調素子を含んでいる。

　本実施の形態では、高ピーク輝度、高ダイナミックレンジな映像を実現するプロジェクタを提供するために、ＳＬＭ（Spatial Light Modulator）等の空間光位相変調素子を回折素子として利用した照明光学系（照明装置）によって照明光を生成する。この際、図１に示したように、投影したい画像から輝度レベルが所定の閾値よりも高い画像領域を抽出し、輝度レベルの低い画像領域は主にＳＤＲ（Standard Dynamic Range）照明光（均一照明光）を用いて表現し、輝度レベルの高い画像領域は主にＨＤＲ（High Dynamic Range）照明光を用いて表現する。

　本実施の形態に係る照明装置では、後述するように、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光とを１つの光源部からの光を１つの回折素子を用いて分配することで生成する。ここで、画像の輝度レベルの高低を決める閾値は任意で決めることが可能であり、閾値の決め方に依存して、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との分配比率を任意で変えることが可能である。

　図２は、第１の実施の形態に係る表示装置によって生成される画像の輝度値のヒストグラムの第１の例を模式的に示している。図３は、第１の実施の形態に係る表示装置によって生成される画像の輝度値のヒストグラムの第２の例を模式的に示している。

　図２および図３において、横軸は輝度、縦軸は頻度を示す。図２は、画像全体として輝度値の低い画素が多い場合のヒストグラムの例を示す。図３は、画像全体として輝度値の高い画素が多い場合のヒストグラムの例を示す。

　ある画像に関して、画像全体として輝度レベルの高い画像であるか、低い画像であるかの判断は、閾値を境界にして、閾値よりも輝度値の低い画素と閾値よりも輝度値の高い画素とのどちらの頻度が多いかを判断することで行うことができる。この場合、閾値の決め方はある一定の値に固定しても構わないが、画像に応じて変えてもよい。ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との光量比を自由に変えられるシステムの場合、例えば画像全域で輝度値の低い領域が多い画像においては、ＳＤＲ照明光の光量の割合を増やすことで、画像全体の明るさが保たれる。一方、画像全体で輝度値の高い領域が多い画像においては、ＨＤＲ照明光として利用する光量の割合を増やすことで、より高いピーク輝度を実現できる。

（ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光の光量比の決め方の変形例）
　本実施の形態に係る照明装置において、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との光量比の決め方は、図２および図３に示したような輝度値のヒストグラムを参考に設定しても良いが、撮影時の撮影モードを考慮した光量比に設定することも可能である。例えば、夜景モードで撮影された画像の場合は、暗所で撮影された可能性が高いため、ＨＤＲ照明光に振り分ける光量を意図的に増やすといったことも可能である。

　また、ＨＤＲ照明光は、後述するように回折素子（光位相変調素子）による回折光で生成されるため、回折ロスが避けられない。本実施の形態に係る照明装置では、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との光量比を設定する際、この回折ロス分を加味した光量比にすることもできる。例として、回折ロスが５０％発生する場合を考え、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との光量比を画面上で１：１の比率にしたい場合は、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との分配比を予め１：２にしておけば、ＨＤＲ照明光を生成する際の回折ロス５０％の影響で、スクリーン上で１：１の光量比が実現できることになる。このように、本実施の形態に係る照明装置では、回折ロスを考慮したＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との分配比設定も可能である。もちろん、回折素子から画面までの間にある光学素子での透過効率がＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光とで異なる場合は、その分を割り戻す分配比にすることも可能である。

［１．１　第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の全体構成例］
　図４は、第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の全体構成の一例を概略的に示している。

　図４には、第１の実施の形態に係る表示装置の一例として、第１の実施の形態に係る照明装置を含むプロジェクタ１０１の構成例を示す。なお、図４では、簡略化のため単色の画像表示を行う場合の構成例を示しているが、カラー画像を表示する場合には、例えば赤、緑、青の３色に対応した照明装置で構成する必要がある。

　以下では、本開示の技術における第１の照明光がＳＤＲ照明光、第２の照明光がＨＤＲ照明光である場合を例に説明する。また、本開示の技術における第１の偏光成分がＳ偏光、第２の偏光成分がＰ偏光である場合を例に説明する。

　プロジェクタ１０１は、画像信号出力装置６０と、強度変調パターン計算回路６１と、回折パターン計算回路６２と、回折素子駆動回路６３と、光強度変調素子駆動回路６４と、偏光比・光量比演算部４と、回転角制御駆動回路６７とを備えている。偏光比・光量比演算部４は、輝度閾値設定回路６５と、回転角計算回路６６とを有している。また、プロジェクタ１０１は、回折素子１と、光源部３０と、光強度変調素子５１と、投射レンズ５３とを備えている。

　図４の構成例において、光強度変調素子５１に対する照明光を生成する部分、主として、光源部３０および回折素子１とそれらの駆動に関わる回路構成部分とが、本開示の技術における照明装置の一具体例に相当する。

　光源部３０は、光源３１と、光源３１から出射された光が入射するλ／２波長板２と、λ／２波長板２を回転させるλ／２波長板回転機構３とを有している。λ／２波長板２は、本開示の技術における第１のλ／２波長板の一具体例に相当する。

　光源部３０は、互いに偏光方向の異なる第１の偏光成分（Ｓ偏光）と第２の偏光成分（Ｐ偏光）とを含む光を出射する。光源部３０は、λ／２波長板２を回転させることで、Ｓ偏光とＰ偏光との偏光比を可変可能な構成とされている。

　光源３１は、レーザのように干渉性の高いコヒーレント光を発するものが望ましいが、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や蛍光体光源、またはランプといった光源でも構わない。ただし、光源３１としてＬＥＤや蛍光体光源、ランプなどを使用する際には、後述する図６に示す構成例のように、光源３１とλ／２波長板２との間に、別途、ＰＳ変換素子２２など、偏光を１方向に揃える光学素子を挿入することが好ましい。

　光源３１は、光強度変調素子５１と同じサイズ、もしくは光強度変調素子５１を包括するサイズに整形しておくことが望ましい。もし、光強度変調素子５１の方が回折素子１よりも開口のサイズが大きい場合は、回折素子１と光強度変調素子５１との間に、ビーム径を拡大する光学系を入れることが好ましい。

　光強度変調素子５１は、照明光を強度変調して画像を生成する。光強度変調素子５１は、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）である。光強度変調素子５１は、例えば透過型または反射型の液晶表示素子であってもよい。なお、図４には、光強度変調素子５１が反射型の光強度変調素子である場合を例に示す。

　回折素子１は、例えば、透過型または反射型の光位相変調素子である。なお、図４には、回折素子１が透過型の光位相変調素子である場合を例に示す。

　回折素子１は、光源部３０から出射された光に基づいて、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光とを生成して出射する。ＳＤＲ照明光は、光強度変調素子５１において第１の輝度領域（低輝度領域）の画像の生成に用いられる。ＨＤＲ照明光は、光強度変調素子５１において第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域（高輝度領域）の画像の生成に用いられる。

　回折素子１は、光源部３０から出射された光のうち第１の偏光成分（Ｓ偏光）の光を位相変調せずにＳＤＲ照明光として出射する。また、回折素子１は、光源部３０から出射された光のうち第２の偏光成分（Ｐ偏光）の光を、高輝度領域の画像に基づいて位相変調してＨＤＲ照明光として出射する。

　画像信号出力装置６０は、入力された画像信号を２つに分け、強度変調パターン計算回路６１と輝度閾値設定回路６５とに出力する。

　輝度閾値設定回路６５は、図２および図３に示したような、輝度レベルの高い画像（高輝度領域の画像）であるか低い画像（低輝度領域の画像）であるかの判断に用いる閾値を設定する。例えば、入力された画像信号のち、輝度閾値設定回路６５で設定された閾値以上の輝度レベルの領域が抽出された画像信号をＨＤＲ照明光用画像信号とする。

　回折パターン計算回路６２は、ＨＤＲ照明光用画像信号に基づいて、回折素子１で表示する回折パターンを計算する。回折素子１で表示する回折パターンは、光強度変調素子５１において表示する高輝度領域の画像に応じた輝度分布を持つ照明像を形成することが可能な回折パターンである。回折パターン計算回路６２では、例えば、繰り返しのＦＦＴ（高速フーリエ変換）計算によって回折パターンを計算する。また、回折パターン計算回路６２は、照明光強度変調パターン信号を、強度変調パターン計算回路６１に出力する。照明光強度変調パターン信号は、回折パターンによって形成される照明像の輝度分布の情報を表している。

　回折素子駆動回路６３は、回折パターン計算回路６２で計算された回折パターンを表示するように回折素子１を駆動する。

　強度変調パターン計算回路６１では、画像信号に基づいて、光強度変調素子５１で表示する画像を生成するための強度変調パターンを計算する。このとき、回折素子１による照明像の輝度分布の情報を加味した強度変調パターンを計算する。

　光強度変調素子駆動回路６４は、強度変調パターン計算回路６１で計算された強度変調パターンを生成するように光強度変調素子５１を駆動する。

　光強度変調素子５１には、回折素子１を介してＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光とが照明光として照射される。光強度変調素子５１は、その照明光に対して、強度変調パターン計算回路６１で計算された強度変調パターンに基づいて強度変調を行い、投影画像を生成する。上述したように、強度変調パターン計算回路６１で計算された強度変調パターンには、回折素子１による照明像の輝度分布の情報が加味されているので、光強度変調素子５１によって、結果として、元の画像信号を再現する投影画像が生成される。

　光強度変調素子５１によって生成された投影画像は、投射レンズ５３に向けて出射される。投射レンズ５３は、複数のレンズを含む投射光学系であり、光強度変調素子５１によって生成された投影画像を、図示しないスクリーン等の投影面に投影する。

　偏光比・光量比演算部４は、画像信号に基づいて、光源部３０における偏光比を決定する。偏光比・光量比演算部４は、ＳＤＲ照明光の光量が画像信号に含まれる低輝度領域の画像の割合に応じた光量となり、ＨＤＲ照明光の光量が画像信号に含まれる高輝度領域の画像の割合に応じた光量となるように、Ｓ偏光とＰ偏光との偏光比を決定する。

　また、偏光比・光量比演算部４は、ＳＤＲ照明光の光量とＨＤＲ照明光の光量との光量比が、画像信号が生成された際の撮影モードを加味した値となるように、偏光比を決定してもよい。

　また、偏光比・光量比演算部４は、ＳＤＲ照明光の光量とＨＤＲ照明光の光量との光量比が、回折素子１による位相変調の際に生ずる光量ロスを加味した値となるように、偏光比を決定してもよい。

　回転角計算回路６６は、偏光比・光量比演算部４で決定された偏光比となるようなλ／２波長板２の回転角度を算出する。これにより、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との光量比を最適化するためのλ／２波長板２の回転角度が算出される。回転角制御駆動回路６７は、λ／２波長板２の回転角度が回転角計算回路６６で算出された回転角度となるように、λ／２波長板回転機構３を制御する。

［１．２　第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置の要部構成例］
　次に、回折素子１および光強度変調素子５１の具体的な構成例を説明する。なお、以下の各構成例に係るプロジェクタにおいて、画像信号を処理する回路や駆動回路等の構成は、図４のプロジェクタ１０１と略同様であってもよい。以下では、図４のプロジェクタ１０１の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の構成例）
　図５は、第１の実施の形態の第１の構成例に係るプロジェクタ１０１Ａの要部構成を概略的に示している。

　第１の構成例に係るプロジェクタ１０１Ａは、回折素子１を透過型回折素子１Ｔ（透過型光位相変調素子）とし、光強度変調素子５１をＤＭＤ５２（反射型光強度変調素子）とした場合の構成例を示している。透過型回折素子１Ｔは、例えば透過型の液晶表示素子である。

　第１の構成例に係るプロジェクタ１０１Ａでは、光源３１は、レーザのように干渉性の高いコヒーレント光を発するものが望ましい。

　透過型回折素子１Ｔは、例えばＰ偏光の光のみを位相変調するものであれば、入射光のうちＳ偏光の光は位相変調を受けずそのまま透過する。この透過光がＳＤＲ照明光となる。一方、Ｐ偏光成分は所望の回折パターンによって位相変調されたＨＤＲ照明光となる。

　その他の構成は、図４に示したプロジェクタ１０１と略同様であってもよい。

（第２の構成例）
　図６は、第１の実施の形態の第２の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｂの要部構成を概略的に示している。

　第２の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｂは、図５に示した第１の構成例に係るプロジェクタ１０１Ａにおける光源部３０に代えて光源部３０Ａを備えている。光源部３０Ａは、光源３１と、ＰＳ変換素子２２と、λ／２波長板２とを有している。

　第２の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｂでは、光源３１は、レーザのように干渉性の高いコヒーレント光を発するものに限らず、ＬＥＤや蛍光体光源、またはランプといった光源でも構わない。光源３１としてＬＥＤや蛍光体光源、ランプなどを使用する際には、第２の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｂのように、光源３１とλ／２波長板２との間に、別途、ＰＳ変換素子２２など、偏光を１方向に揃える光学素子を挿入することが好ましい。

　その他の構成は、図４に示したプロジェクタ１０１または図５に示したプロジェクタ１０１Ａと略同様であってもよい。

（第３の構成例）
　図７は、第１の実施の形態の第３の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｃの要部構成を概略的に示している。

　第３の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｃは、回折素子１を反射型回折素子１Ｒ（反射型光位相変調素子）とし、光強度変調素子５１をＤＭＤ５２（反射型光強度変調素子）とした場合の構成例を示している。反射型回折素子１Ｒは、例えば反射型の液晶表示素子である。

　なお、必ずしも必要ではないが、反射型回折素子１Ｒの前にワイヤグリッド偏光子５４を配置することが好ましい。もしくは、反射型回折素子１Ｒの表面に、Ｓ偏光は高反射、Ｐ偏光は高透過する偏光分離のコーティングを施すことが好ましい。これにより、光利用効率の向上が期待できる。

　また、図７に示したプロジェクタ１０１Ｃにおいて、図６に示したプロジェクタ１０１Ｂと同様に、光源部３０をＰＳ変換素子３２を含む光源部３０Ａで構成してもよい。

（第４の構成例）
　図８は、第１の実施の形態の第４の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｄの要部構成を概略的に示している。

　第４の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｄは、回折素子１を透過型回折素子１Ｔ（透過型光位相変調素子）とし、光強度変調素子５１を透過型液晶表示素子５１Ｔ（透過型光強度変調素子）とした場合の構成例を示している。透過型回折素子１Ｔは、例えば透過型の液晶表示素子である。

　また、第４の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｄは、偏光分離素子５５と、反射ミラー５６と、λ／２波長板５７と、検光子５８とを備えている。λ／２波長板５７は、本開示の技術における第２のλ／２波長板の一具体例に相当する。検光子５８は、透過型液晶表示素子５１Ｔと投射レンズ５３との間に配置されている。

　偏光分離素子５５は、透過型回折素子１Ｔから出射されたＳＤＲ照明光の光路とＨＤＲ照明光の光路とを分離する光路分離素子である。

　λ／２波長板５７は、ＳＤＲ照明光の光路とＨＤＲ照明光の光路とのいずれか一方の光路上に配置されている。

　光強度変調素子５１が透過型液晶表示素子５１Ｔである場合、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との偏光が揃っている必要がある。このため、まず、透過型回折素子１Ｔと透過型液晶表示素子５１Ｔとの間に偏光で分離する素子、例えば偏光分離素子５５などを配置し、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との光路を分離する。そして、ＳＤＲ照明光の光路とＨＤＲ照明光の光路とのいずれか一方の光路上にλ／２波長板５７を配置することで、片方の偏光を９０°回転させる。これにより、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との偏光を揃えることができる。

　なお、図８の例では、λ／２波長板５７をＳＤＲ照明光の光路上に配置することで、ＳＤＲ照明光をＳ偏光からＰ偏光に変換している。なお、λ／２波長板５７をＨＤＲ照明光の光路上に配置し、ＨＤＲ照明光をＰ偏光からＳ偏光に変換してもよい。

　第４の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｄでは、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光とを、偏光分離素子５５などによって、一度空間的に分離しなければならないが、その後、透過型液晶表示素子５１Ｔから投射レンズ５３までの光学系において許容できる角度範囲に収まるように極力浅い角度でＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明とを透過型液晶表示素子５１Ｔ上で合成することが好ましい。

　また、図８に示したプロジェクタ１０１Ｄにおいて、図６に示したプロジェクタ１０１Ｂと同様に、光源部３０をＰＳ変換素子３２を含む光源部３０Ａで構成してもよい。

（第５の構成例）
　図９は、第１の実施の形態の第５の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｅの要部構成を概略的に示している。

　第５の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｅは、回折素子１を透過型回折素子１Ｔ（透過型光位相変調素子）とし、光強度変調素子５１を反射型液晶表示素子５１Ｒ（反射型光強度変調素子）とした場合の構成例を示している。透過型回折素子１Ｔは、例えば透過型の液晶表示素子である。

　また、第５の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｅは、偏光分離素子５５と、反射ミラー５６と、λ／２波長板５７と、偏光分離素子５９とを備えている。λ／２波長板５７は、本開示の技術における第２のλ／２波長板の一具体例に相当する。偏光分離素子５９は、反射型液晶表示素子５１Ｒの前に配置されている。

　光強度変調素子５１が反射型液晶表示素子５１Ｒである場合、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との偏光が揃っている必要がある。このため、まず、透過型回折素子１Ｔと反射型液晶表示素子５１Ｒとの間に偏光で分離する素子、例えば偏光分離素子５５などを配置し、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との光路を分離する。そして、ＳＤＲ照明光の光路とＨＤＲ照明光の光路とのいずれか一方の光路上にλ／２波長板５７を配置することで、片方の偏光を９０°回転させる。これにより、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との偏光を揃えることができる。

　なお、図９の例では、λ／２波長板５７をＳＤＲ照明光の光路上に配置することで、ＳＤＲ照明光をＳ偏光からＰ偏光に変換している。なお、λ／２波長板５７をＨＤＲ照明光の光路上に配置し、ＨＤＲ照明光をＰ偏光からＳ偏光に変換してもよい。

　第５の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｅでは、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光とを、偏光分離素子５５などによって、一度空間的に分離しなければならないが、その後、反射型液晶表示素子５１Ｒから投射レンズ５３までの光学系において許容できる角度範囲に収まるように極力浅い角度でＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明とを反射型液晶表示素子５１Ｒ上で合成することが好ましい。

　その他の構成は、図４に示したプロジェクタ１０１または図８に示したプロジェクタ１０１Ｄと略同様であってもよい。

　また、図９に示したプロジェクタ１０１Ｅにおいて、図６に示したプロジェクタ１０１Ｂと同様に、光源部３０をＰＳ変換素子３２を含む光源部３０Ａで構成してもよい。

（第６の構成例）
　図１０は、第１の実施の形態の第６の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｆの要部構成を概略的に示している。

　第６の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｆは、回折素子１を反射型回折素子１Ｒ（反射型光位相変調素子）とし、光強度変調素子５１を透過型液晶表示素子５１Ｔ（透過型光強度変調素子）とした場合の構成例を示している。反射型回折素子１Ｒは、例えば反射型の液晶表示素子である。

　その他の構成は、図８に示した第４の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｄと略同様であってもよい。

　また、図１０に示したプロジェクタ１０１Ｆにおいて、図６に示したプロジェクタ１０１Ｂと同様に、光源部３０をＰＳ変換素子３２を含む光源部３０Ａで構成してもよい。

（第７の構成例）
　図１１は、第１の実施の形態の第７の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｇの要部構成を概略的に示している。

　第７の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｇは、回折素子１を反射型回折素子１Ｒ（反射型光位相変調素子）とし、光強度変調素子５１を反射型液晶表示素子５１Ｒ（反射型光強度変調素子）とした場合の構成例を示している。反射型回折素子１Ｒは、例えば反射型の液晶表示素子である。

　その他の構成は、図９に示したプロジェクタ１０１Ｅと略同様であってもよい。

　また、図１１に示したプロジェクタ１０１Ｆにおいて、図６に示したプロジェクタ１０１Ｂと同様に、光源部３０をＰＳ変換素子３２を含む光源部３０Ａで構成してもよい。

（第８の構成例）
　図１２は、第１の実施の形態の第８の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｈの要部構成を概略的に示している。

　第８の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｈは、図５に示した第１の構成例に係るプロジェクタ１０１Ａにおける光源部３０に代えて光源部３０Ｂを備えている。光源部３０Ｂは、光源３１と、光源３１を回転する光源回転機構３３とを有している。

　第８の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｈでは、λ／２波長板２を回転させるのではなく、光源３１自体を光軸の周りに回転させることで、ＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光の光量比を調整するようになっている。光源３１は、直線偏光した光を発する。

　第８の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｈでは、光源回転機構３３は、図４の構成における回転角制御駆動回路６７によって制御される。光源３１の回転角は、図４の構成における回転角計算回路６６によって算出される。

　第８の構成例に係るプロジェクタ１０１Ｈでは、図５に示した第１の構成例に係るプロジェクタ１０１Ａの構成に対して、光源部３０におけるλ／２波長板２を省くことができる。ただし、光源３１から出射する光が直線偏光している必要があるため、例えばランダムな偏光の際は、光源３１の中に偏光方向を揃える光学素子を組み込むなどする必要がある。また、どのような回転角度をとっても透過型回折素子１Ｔの全面を照明する必要があるため、光源３１の出射ビームサイズは透過型回折素子１Ｔよりも一回り大きいサイズである必要がある。

　なお、図１２の構成例は、図５の構成例に対する変形例であるが、図７～図１１の構成例においても、λ／２波長板２を取り除いて光源３１自体を回転させる構成を取ることが可能である。

　また、図１２に示したプロジェクタ１０１Ｆにおいて、図６に示したプロジェクタ１０１Ｂと同様に、３０ＢをＰＳ変換素子３２を含む光源部３０Ａで構成してもよい。

［１．３　効果］
　以上説明したように、第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置によれば、シンプルな構成で、高いダイナミックレンジを実現することが可能となる。

　第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置によれば、１つの光源部からの光を任意の割合で分配し、回折素子（光位相変調素子）によってＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光とを同時に生成することで、光源部が複数にならず、光学系が非常にシンプルになる。

　また、第１の実施の形態に係る照明装置および表示装置によれば、投影画像のフレームごとに応じた光量分配比率の変更が可能になることで、例えば輝度レベルの高い領域がないシーンでは全てをＳＤＲ照明光として利用することができる。一方、星空など全面的に暗いシーンの中に光り輝く部分が点在しているようなシーンでは、全てをＨＤＲ照明光として使用することで高いピーク輝度を得られるとともに、光強度変調素子でのわずかな光漏れの影響で劣化する真っ暗な領域の黒浮きも改善することができる。このようにシーンに応じたＳＤＲ照明光とＨＤＲ照明光との分配比を自由に変えられることで高ピーク輝度、高コントラストな映像を実現できる。

　なお、液晶型デバイスなどの回折素子によってＨＤＲ照明光とＳＤＲ照明光とを合成した照明光を生成することも可能ではあるが、この場合、ＳＤＲ照明光になる光も回折により生成されることで、主に、高次の回折光による回折ロスや液晶型デバイスのピクセル構造を持つことによる周期的な回折光の発生によるロスが発生してしまうため、ＳＤＲ照明光の回折ロスの分だけ、本実施の形態に係る技術の方が高効率である。

　なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。

＜２．その他の実施の形態＞
　本開示による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

　例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
　以下の構成の本技術によれば、シンプルな構成で、高いダイナミックレンジを実現することが可能となる。

（１）
　互いに偏光方向の異なる第１の偏光成分と第２の偏光成分とを含む光を出射する光源部と、
　前記光源部から出射された光に基づいて、光強度変調素子において第１の輝度領域の画像の生成に用いられる第１の照明光と、前記光強度変調素子において前記第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域の画像の生成に用いられる第２の照明光とを生成して出射する光位相変調素子と
　を備え、
　前記光位相変調素子は、
　前記光源部から出射された光のうち前記第１の偏光成分の光を位相変調せずに前記第１の照明光として出射し、
　前記光源部から出射された光のうち前記第２の偏光成分の光を、前記第２の輝度領域の画像に基づいて位相変調して前記第２の照明光として出射する
　照明装置。
（２）
　前記光源部は、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分との偏光比を可変可能な構成とされている
　上記（１）に記載の照明装置。
（３）
　前記光源部は、
　光源と、
　前記光源から出射された光が入射する第１のλ／２波長板と、
　前記第１のλ／２波長板を回転させるλ／２波長板回転機構と
　を有する
　上記（２）に記載の照明装置。
（４）
　前記光源部は、
　光源と、
　前記光源を回転する光源回転機構と
　を有する
　上記（２）に記載の照明装置。
（５）
　画像信号に基づいて、前記光源部における前記偏光比を決定する演算部、
　をさらに備える
　上記（２）ないし（４）のいずれか１つに記載の照明装置。
（６）
　前記演算部は、
　前記第１の照明光の光量が前記画像信号に含まれる前記第１の輝度領域の画像の割合に応じた光量となり、前記第２の照明光の光量が前記画像信号に含まれる前記第２の輝度領域の画像の割合に応じた光量となるように、前記偏光比を決定する
　上記（５）に記載の照明装置。
（７）
　前記演算部は、
　前記第１の照明光の光量と前記第２の照明光の光量との光量比が、前記画像信号が生成された際の撮影モードを加味した値となるように、前記偏光比を決定する
　上記（６）に記載の照明装置。
（８）
　前記演算部は、
　前記第１の照明光の光量と前記第２の照明光の光量との光量比が、前記光位相変調素子による位相変調の際に生ずる光量ロスを加味した値となるように、前記偏光比を決定する
　上記（６）または（７）に記載の照明装置。
（９）
　前記光位相変調素子は、透過型または反射型の光位相変調素子であり、
　前記光強度変調素子は、デジタルマイクロミラーデバイスである
　上記（１）ないし（８）のいずれか１つに記載の照明装置。
（１０）
　前記光位相変調素子は、透過型または反射型の光位相変調素子であり、
　前記光強度変調素子は、透過型または反射型の液晶表示素子である
　上記（１）ないし（８）のいずれか１つに記載の照明装置。
（１１）
　前記光位相変調素子から出射された前記第１の照明光の光路と前記第２の照明光の光路とを分離する光路分離素子と、
　前記第１の照明光の光路と前記第２の照明光の光路とのいずれか一方の光路上に配置された第２のλ／２波長板と
　をさらに備える
　上記（１０）に記載の照明装置。
（１２）
　照明装置と、
　前記照明装置からの照明光を強度変調して画像を生成する光強度変調素子と
　を含み、
　前記照明装置は、
　互いに偏光方向の異なる第１の偏光成分と第２の偏光成分とを含む光を出射する光源部と、
　前記光源部から出射された光に基づいて、前記光強度変調素子において第１の輝度領域の画像の生成に用いられる第１の照明光と、前記光強度変調素子において前記第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域の画像の生成に用いられる第２の照明光とを生成して出射する光位相変調素子と
　を備え、
　前記光位相変調素子は、
　前記光源部から出射された光のうち前記第１の偏光成分の光を位相変調せずに前記第１の照明光として出射し、
　前記光源部から出射された光のうち前記第２の偏光成分の光を、前記第２の輝度領域の画像に基づいて位相変調して前記第２の照明光として出射する
　表示装置。
（１３）
　前記光強度変調素子によって生成された画像を投影する投射光学系、
　をさらに備える
　上記（１２）に記載の表示装置。

　本出願は、日本国特許庁において２０１８年８月３１日に出願された日本特許出願番号第２０１８－１６２３０９号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims

　互いに偏光方向の異なる第１の偏光成分と第２の偏光成分とを含む光を出射する光源部と、
　前記光源部から出射された光に基づいて、光強度変調素子において第１の輝度領域の画像の生成に用いられる第１の照明光と、前記光強度変調素子において前記第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域の画像の生成に用いられる第２の照明光とを生成して出射する光位相変調素子と
　を備え、
　前記光位相変調素子は、
　前記光源部から出射された光のうち前記第１の偏光成分の光を位相変調せずに前記第１の照明光として出射し、
　前記光源部から出射された光のうち前記第２の偏光成分の光を、前記第２の輝度領域の画像に基づいて位相変調して前記第２の照明光として出射する
　照明装置。
　前記光源部は、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分との偏光比を可変可能な構成とされている
　請求項１に記載の照明装置。
　前記光源部は、
　光源と、
　前記光源から出射された光が入射する第１のλ／２波長板と、
　前記第１のλ／２波長板を回転させるλ／２波長板回転機構と
　を有する
　請求項２に記載の照明装置。
　前記光源部は、
　光源と、
　前記光源を回転する光源回転機構と
　を有する
　請求項２に記載の照明装置。
　画像信号に基づいて、前記光源部における前記偏光比を決定する演算部、
　をさらに備える
　請求項２に記載の照明装置。
　前記演算部は、
　前記第１の照明光の光量が前記画像信号に含まれる前記第１の輝度領域の画像の割合に応じた光量となり、前記第２の照明光の光量が前記画像信号に含まれる前記第２の輝度領域の画像の割合に応じた光量となるように、前記偏光比を決定する
　請求項５に記載の照明装置。
　前記演算部は、
　前記第１の照明光の光量と前記第２の照明光の光量との光量比が、前記画像信号が生成された際の撮影モードを加味した値となるように、前記偏光比を決定する
　請求項６に記載の照明装置。
　前記演算部は、
　前記第１の照明光の光量と前記第２の照明光の光量との光量比が、前記光位相変調素子による位相変調の際に生ずる光量ロスを加味した値となるように、前記偏光比を決定する
　請求項６に記載の照明装置。
　前記光位相変調素子は、透過型または反射型の光位相変調素子であり、
　前記光強度変調素子は、デジタルマイクロミラーデバイスである
　請求項１に記載の照明装置。
　前記光位相変調素子は、透過型または反射型の光位相変調素子であり、
　前記光強度変調素子は、透過型または反射型の液晶表示素子である
　請求項１に記載の照明装置。
　前記光位相変調素子から出射された前記第１の照明光の光路と前記第２の照明光の光路とを分離する光路分離素子と、
　前記第１の照明光の光路と前記第２の照明光の光路とのいずれか一方の光路上に配置された第２のλ／２波長板と
　をさらに備える
　請求項１０に記載の照明装置。
　照明装置と、
　前記照明装置からの照明光を強度変調して画像を生成する光強度変調素子と
　を含み、
　前記照明装置は、
　互いに偏光方向の異なる第１の偏光成分と第２の偏光成分とを含む光を出射する光源部と、
　前記光源部から出射された光に基づいて、前記光強度変調素子において第１の輝度領域の画像の生成に用いられる第１の照明光と、前記光強度変調素子において前記第１の輝度領域よりも輝度の高い第２の輝度領域の画像の生成に用いられる第２の照明光とを生成して出射する光位相変調素子と
　を備え、
　前記光位相変調素子は、
　前記光源部から出射された光のうち前記第１の偏光成分の光を位相変調せずに前記第１の照明光として出射し、
　前記光源部から出射された光のうち前記第２の偏光成分の光を、前記第２の輝度領域の画像に基づいて位相変調して前記第２の照明光として出射する
　表示装置。
　前記光強度変調素子によって生成された画像を投影する投射光学系、
　をさらに備える
　請求項１２に記載の表示装置。