画像表示装置およびプロジェクタ
【課題】 小型のプロジェクタを提供する。
【解決手段】 光源１０からの光を変調する色変調ライトバルブ６０Ｇと、色変調ライトバルブ６０Ｇからの光を変調する輝度変調ライトバルブ１００と、色変調ライトバルブ６０Ｇと輝度変調ライトバルブ１００との間に配され、色変調ライトバルブ６０Ｇの光学像を輝度変調ライトバルブ１００の受光面に結像するリレーレンズ系９０と、リレーレンズ系９０を構成する複数のレンズの間に配置された反射光学素子９４，９６と、を備える。
【解決手段】 光源１０からの光を変調する色変調ライトバルブ６０Ｇと、色変調ライトバルブ６０Ｇからの光を変調する輝度変調ライトバルブ１００と、色変調ライトバルブ６０Ｇと輝度変調ライトバルブ１００との間に配され、色変調ライトバルブ６０Ｇの光学像を輝度変調ライトバルブ１００の受光面に結像するリレーレンズ系９０と、リレーレンズ系９０を構成する複数のレンズの間に配置された反射光学素子９４，９６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置およびプロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ（Electro-luminescence）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の電子ディスプレイ装置における画質改善は目覚しく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能を有する装置が実現されつつある。しかし、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は１〜１０２［nit］程度の範囲であり、また階調数は８ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジの範囲が１０−２〜１０４［nit］程度あり、また輝度弁別能力は０．２［nit］でこれを階調数に換算すると１２ビット相当といわれている。このような視覚特性を通じて現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため、表示画像のリアリティや迫力に対して物足りなさを感じることになる。
【０００３】
映画やゲーム等で使用されるＣＧ（Computer Graphics）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を有する画像データ（以下、ＨＤＲ（High Dynamic Range）画像データという。）を用いて、描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。しかし、それを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているために、ＣＧコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。
【０００４】
さらに、次世代ＯＳ（Operating System）においては、１６ビット色空間の採用が予定されており、現在の８ビット色空間と比較してダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大する。そのため、１６ビット色空間を生かすことができる高ダイナミックレンジ・高階調の電子ディスプレイ装置実現への要求が高まると予想される。
【０００５】
ディスプレイ装置の中でも、液晶プロジェクタや、ＤＬＰ（Digital Light Processing、ＴＩ社の登録商標）プロジェクタといった投射型表示装置は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティや迫力を再現する上で効果的なディスプレイ装置である。この分野では上記の課題を解決するために、以下に述べる提案がなされている。
【０００６】
高ダイナミックレンジのディスプレイ装置としては、例えば、特許文献１に開示されている技術があり、光源と、光の全波長領域の輝度を変調する第２光変調素子と、光の波長領域のうちＲＧＢ３原色の各波長領域についてその波長領域の輝度を変調する第１光変調素子とを備え、光源からの光を第２光変調素子で変調して所望の輝度分布を形成し、その光学像を第１光変調素子の表示面に結像して色変調し、２次変調した光を投射するというものである。第２光変調素子及び第１光変調素子の各画素は、ＨＤＲ表示データから決定される第１制御値及び第２制御値に基づいてそれぞれ別個に制御される。光変調素子としては、透過率が独立に制御可能な画素構造またはセグメント構造を有し、二次元的な透過率分布を制御し得る透過型変調素子が用いられる。その代表例としては、液晶ライトバルブがあげられる。また、透過型変調素子の代わりに反射型変調素子を用いてもよく、その代表例としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子があげられる。
【０００７】
いま、暗表示の透過率が０．２％、明表示の透過率が６０％の光変調素子を使用する場合を考える。光変調素子単体では、輝度ダイナミックレンジは、６０／０．２＝３００となる。上記ディスプレイ装置は、輝度ダイナミックレンジが３００の光変調素子を光学的に直列に配置することに相当するので、３００×３００＝９００００の輝度ダイナミックレンジを実現することができる。また、階調数についてもこれと同等の考えが成り立ち、８ビット階調の光変調素子を光学的に直列に配置することにより、８ビットを超える階調数を得ることができる。
【特許文献１】特開２００１−１００６８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１記載の発明においては、光学収差が大きい照明光学系用の光学素子を用いて第１変調素子で形成した光学像を第２変調素子に伝達しているために所望の光強度分布を有する照明光を第１光変調素子上に正確に伝達することが困難であるという問題があった。
【０００９】
そこで、本願発明者らは、図１７に示すプロジェクタを開発している。図１７に示すプロジェクタは、表示画像データに基づき光源１０からの光を変調して画像を表示するものであって、光源１０からの光の光伝搬特性を制御する複数の第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂと、各第１光変調素子からの光を合成する光合成手段８０と、光合成手段によって合成された合成光の光伝搬特性を制御する第２光変調素子１００と、前記第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂ上に形成された光学像を前記第２光変調素子１００上に伝達するリレーレンズ系９０とを有するものである。
【００１０】
このような構成であれば、複数の第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂ上に形成された光学像を、結像性能が高いリレーレンズ系９０によって第２光変調素子１００上に伝達することが可能である。これにより合成光伝達時の光学収差の低減が可能となる。つまり、光合成手段８０からの合成光を第２光変調素子１００へと比較的高い精度で伝達することができるので、従来に比して前記合成光の第２光変調素子１００への結像精度を向上できるという効果が得られる。
【００１１】
図１８は、従来のリレーレンズ系の説明図である。しかしながら、上述したリレーレンズ系９０は、（１）プロジェクタの十分な光束を確保するため、Ｆナンバーが２程度の明るさを必要とし、（２）透過型液晶ライトバルブの画素単位の光量分布を伝達するため、１０μｍ程度の解像能力を必要とし、（３）液晶の視角依存性による画質劣化を回避するため、両側テレセントリック特性を必要とする、といった各種性能を満足する必要がある。ここで、第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂおよび第２光変調素子１００として画面サイズが１インチ程度の透過型液晶ライトバルブを使用した場合に、上記（１）〜（３）の性能を兼ね備えるリレーレンズ系９０は、水平方向における長さが２００ｍｍ以上の長いものになる。その結果、第１光変調素子と第２光変調素子との間の距離である共役長が３００ｍｍ以上となって、プロジェクタが大型化するという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、小型化の可能な画像表示装置およびプロジェクタの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、前記光源からの光を変調する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を変調する第２光変調素子と、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配され、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像するリレーレンズ系と、前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズの間に配置された少なくとも１個の反射光学素子と、を備えることを特徴とする。
特に、前記リレーレンズ系は、前記第１光変調素子から入射した光の進行方向を、前記反射光学素子により反転させて、前記第２光変調素子に出射することが望ましい。
このように、反射光学素子を採用して光路を折り曲げたリレーレンズ系の水平方向の長さは、反射光学素子を採用しない場合と比べて短くなる。したがって、画像表示装置を小型化することができる。
【００１４】
また、前記リレーレンズ系は、両側テレセントリック性を有することが望ましい。
両側テレセントリック性を有することにより、画面の各領域における画像コントラストが略同一となり、良好な画像表示品質を有する画像表示装置を提供することができる。そして、両側テレセントリック性を有するリレーレンズ系は、多くのレンズで構成されるため、水平方向の長さが長くなる。したがって、反射光学素子を採用して光路を折り曲げることにより、画像表示装置を小型化することができる。
【００１５】
また、前記反射光学素子は、前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズのうち前記反射光学素子の前段レンズ群と前記反射光学素子の後段レンズ群とが、対称となる位置に配置されていることが望ましい。
この構成によれば、リレーレンズ系の光学設計が容易になる。
【００１６】
また、前記反射光学素子は、反射型偏光子であることが望ましい。
反射型偏光子は、光束のうちの一部の偏光を透過し一部の偏光を反射するものであるから、各光変調素子の偏光板として機能させることができる。これにより、各光変調素子の偏光板を省略することができるので、コストを低減することができる。
【００１７】
また、前記反射光学素子は、ワイヤグリッド型偏光フィルタであることが望ましい。
このワイヤグリッド型偏光フィルタは、構造が単純なので容易に製造することができる。また、無機素材で構成されるため、極めて耐熱性に優れるとともに、光吸収をほとんど生じない。そして、各光変調素子の偏光板を省略してワイヤグリッド型偏光フィルタを用いることにより、画像表示装置の耐熱性を向上させることができる。
なお、前記反射光学素子は、偏光ビームスプリッタであってもよい。
【００１８】
また、前記反射光学素子は、反射プリズムのプリズム面に形成されていることが望ましい。
反射プリズムを採用することにより、リレーレンズ系の空気換算光路長が短くなる。したがって、リレーレンズ系の光学設計上の制約が少なくなる。
【００１９】
一方、本発明のプロジェクタは、上述した画像表示装置と、投射手段と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、プロジェクタを小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１および図２は、本実施形態の画像表示装置及びプロジェクタの一例であり、プロジェクタＰＪ１の主たる光学構成を示す図である。図１は側面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線における平面断面図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における平面断面図である。
図１および図２に示すように、プロジェクタＰＪ１は、光源１０と、光源１０から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明系２０と、均一照明系２０から入射した光の波長領域のうちのＲＧＢ３原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部２５（第１変調手段としての３つの透過型液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを含む）と、色変調部２５から入射した光をリレーするリレーレンズ系９０と、リレーレンズ系９０から入射した光の全波長領域の輝度を変調する第２変調手段としての透過型液晶ライトバルブ１００と、液晶ライトバルブ１００から入射した光をスクリーン（不図示）に投射する投射レンズ１１０と、を含んで構成されている。
【００２２】
［プロジェクタの全体構成］
光源１０は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなるランプ１１と、ランプ１１からの射出光を反射・集光するリフレクタ１２とを含んで構成されている。
【００２３】
均一照明系２０は、フライアイレンズ等からなる２つのレンズアレイ２１，２２と、偏光変換素子２３と、集光レンズ２４とを含んで構成されている。そして、光源１０からの光の輝度分布を２つのレンズアレイ２１，２２により均一化し、均一化した光を偏光変換素子２３により色変調部の入射可能偏光方向に偏光し、偏光した光を集光レンズ２４により集光して色変調部２５に射出する。なお、偏光変換素子２３は、例えばＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）アレイおよび１／２波長板で構成されており、ランダム偏光を特定の直線偏光に変換するものである。
【００２４】
色変調部２５は、光分離手段としての２つのダイクロイックミラー３０，３５と、３つのミラー（反射ミラー３６，４５，４６）と、５つのフィールドレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）と、３つの液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと、クロスダイクロイックプリズム８０と、を含んで構成されている。
【００２５】
ダイクロイックミラー３０，３５は、光源１０からの光（白色光）を、赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）、青色光（Ｂ光）のＲＧＢ３原色光に分離（分光）するものである。ダイクロイックミラー３０は、Ｂ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する性質のダイクロイック膜をガラス板等に形成したもので、光源１０からの白色光に含まれるＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する。ダイクロイックミラー３５は、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過する性質のダイクロイック膜をガラス板等に形成したもので、ダイクロイックミラー３０を透過したＧ光及びＢ光のうち、Ｇ光を反射して平行化レンズ５０Ｇに伝達し、Ｂ光を透過してレンズ４１に伝達する。
【００２６】
リレーレンズ４２はレンズ４１近傍の光（光強度分布）を平行化レンズ５０Ｂ近傍に伝達するもので、レンズ４１はリレーレンズ４２に光を効率よく入射させる機能を有する。レンズ４１に入射したＢ光はその強度分布をほぼ保存された状態で、かつ光損失を殆ど伴うことなく空間的に離れた液晶ライトバルブ６０Ｂに伝達される。
【００２７】
平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒは、対応する液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する各色光を略平行化して入射光の角度分布を狭め、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示特性を向上させる機能を有している。そして、ダイクロイックミラー３０，３５で分光されたＲＧＢ３原色の光は、上述したミラー（反射ミラー３６，４５，４６）及びフィールドレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）を介して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する。
【００２８】
液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、画素電極及びこれを駆動するための薄膜トランジスタや薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にＴＮ型液晶を挟み込むとともに、外面に偏光板を配置したアクティブマトリクス型の液晶表示素子である。
【００２９】
また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、電圧非印加状態で白／明（透過）状態、電圧印加状態で黒／暗（非透過）状態となるノーマリーホワイトモード、またはその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、電極間に与えられた制御値（制御電圧）に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。液晶ライトバルブ６０Ｂは、入射されたＢ光を制御値に基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｇは、入射されたＧ光を制御値に基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｒは、入射されたＲ光を制御値に基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。
【００３０】
クロスダイクロイックプリズム８０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造からなり、その内部には、Ｂ光を反射する誘電体多層膜（Ｂ光反射ダイクロイック膜８１）及びＲ光を反射する誘電体多層膜（Ｒ光反射ダイクロイック膜８２）が断面Ｘ字状に形成されている。そして、液晶ライトバルブ６０ＧからのＧ光を透過し、液晶ライトバルブ６０ＲからのＲ光と液晶ライトバルブ６０ＢからのＢ光とを折り曲げてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。
【００３１】
リレーレンズ系９０は、クロスダイクロイックプリズム８０で合成された液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの光学像（光強度分布）を、液晶ライトバルブ１００の表示面上に伝達するものである。本実施形態のリレーレンズ系９０は、クロスダイクロイックプリズム８０からの出射光を上方に屈折させ、さらに水平方向に屈折させて、クロスダイクロイックプリズム８０の上方に配置された液晶ライトバルブ１００に対して、光学像を伝達するものである。リレーレンズ系９０の構成および機能については、後で詳しく説明する。
【００３２】
液晶ライトバルブ１００は、前述した液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと同等の構成からなり、入射した光の全波長領域の輝度を制御値に基づいて変調する。そして、最終的な光学像を内包した変調光を、ミラー１０９により９０°屈折させて、投射レンズ１１０に射出する。
投射レンズ１１０は、液晶ライトバルブ１００の表示面上に形成された光学像を、図示しないスクリーン上に投射してカラー画像を表示する。
【００３３】
次に、プロジェクタＰＪ１の全体的な光伝達の流れを説明する。光源１０からの白色光はダイクロイックミラー３０，３５により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色光に分光されるとともに、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒを含むレンズ及びミラーを介して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射される。その液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、後述するＨＤＲ画像データに基づいて生成された制御値によって駆動され、画素単位で光透過率を変化させうるようになっている。したがって、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射した各々の色光は、それぞれの波長領域に応じて色変調され、光学像を内包した変調光として射出される。
【００３４】
液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの各変調光は、それぞれクロスダイクロイックプリズム８０に入射し、そこで一つの光に合成され、リレーレンズ系９０に入射する。リレーレンズ系９０は、入射した合成光を上方に屈折させ、さらに水平方向に屈折させて、液晶ライトバルブ１００に伝達する。液晶ライトバルブ１００も同様に、後述するＨＤＲ画像データに基づいて生成された制御値によって駆動され、画素単位で光透過率を変化させうるようになっている。したがって、液晶ライトバルブ１００に入射した合成光は、全波長域について輝度変調され、最終的な光学像を内包した変調光として投射レンズ１１０へ射出される。そして、投射レンズ１１０において、液晶ライトバルブ１００からの最終的な合成光を図示しないスクリーン上に投射し所望の画像を表示する。
【００３５】
このように、プロジェクタＰＪ１では、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで光学像（画像）を形成した変調光を用いて、最終的な表示画像を第２光変調素子としての液晶ライトバルブ１００で形成する形態を採用しており、直列に配置された２つのライトバルブを介して、２段階の画像形成過程によって光源１０からの光を変調する。その結果、プロジェクタＰＪ１は、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現することができるようになっている。
【００３６】
また、プロジェクタＰＪ１では、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及びクロスダイクロイックプリズム８０の後段に、結像性能が優れたリレーレンズ系９０を介して第２光変調素子としての液晶ライトバルブ１００を配置したので、液晶ライトバルブ１００を、ダイクロイックミラー３０，３５および液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの前段に配置する従来の類似の光学系と比べて、伝達光の光学収差を低減し、結像（伝達）精度を向上することが可能となる。
【００３７】
ここで、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００は、いずれも透過光の強度を変調しその変調度合いに応じた光学像を内包する点で一致するが、後者の液晶ライトバルブ１００が全波長域の光（白色光）を変調するのに対して、前者の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒが光分離手段であるダイクロイックミラー３０，３５で分光された特定波長領域の光（Ｒ，Ｇ，Ｂなどの色光）を変調する点で異なっている。したがって、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで行われる光強度変調を色変調、液晶ライトバルブ１００で行われる光強度変調を輝度変調と便宜的に呼称して区別する。また、同様の観点から、以下の説明では液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを色変調ライトバルブ、液晶ライトバルブ１００を輝度変調ライトバルブと呼称して区別する場合がある。
【００３８】
そして、色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブに入力する制御値の内容については、後ほど詳述する。なお、本実施形態では、色変調ライトバルブは輝度変調ライトバルブよりも高い解像度を有し、よって、色変調ライトバルブが表示解像度（プロジェクタＰＪ１の表示画像を観測者が見たときに観測者が知覚する解像度をいう。）を決定する場合を想定している。勿論、表示解像度の関係はこれに限定されず、同じ解像度の色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブを採用することも可能であるし、また輝度変調ライトバルブが色変調ライトバルブよりも高い解像度を有し、輝度変調ライトバルブが表示解像度を決定する構成を採用することも可能である。
【００３９】
［リレーレンズ系］
次に、リレーレンズ系の構成および機能につき、図を用いて詳しく説明する。
図３は、本実施形態のリレーレンズ系９０の構成を示す側面図である。なお図３では、理解を容易にするため、３原色用の３個の色変調ライトバルブを１個の色変調ライトバルブ６０で代表して描き、なおかつ色変調ライトバルブ６０とリレーレンズ系９０との間にあるクロスダイクロイックプリズムを省略して描いているが、光学的には図１および図２の構成と等価なものである。
【００４０】
図３のリレーレンズ系９０は、各色変調用の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像を液晶ライトバルブ１００の画素面に結像するものであって、開口絞り９５に対してほぼ対称に配置された前段レンズ群９２及び後段レンズ群９８からなる等倍結像レンズである。前段レンズ群９２及び後段レンズ群９８は、複数の凸レンズ及び凹レンズを含んで構成され、両側テレセントリック性を有している。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔及び枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図３の例に限定されるものではない。リレーレンズ系９０は、多数枚のレンズから構成されるので、収差補正がよく、各色変調用の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで形成される輝度分布を正確に液晶ライトバルブ１００に伝達することができる。
【００４１】
図４は、テレセントリック性の説明図であり、図４（ａ）は両側テレセントリック性を有するリレーレンズ系であり、図４（ｂ）は有しないリレーレンズ系である。
図４（ｂ）のリレーレンズ系１９０では、色変調ライトバルブ６０から出射された光が、レンズ１９５を介して、輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。この場合、色変調ライトバルブ６０の各領域から所定の角度範囲に出射された光６１のうち、一部の角度範囲に出射された光１９１のみが輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。そして、色変調ライトバルブ６０の各領域では、異なる角度範囲に出射された光が輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。一方、輝度変調ライトバルブ１００の各領域に対しては、異なる角度で光が入射するようになっている。ところで、一般に液晶ライトバルブは視角依存性を有するため、光の出入射角度によってコントラストが異なることになる。そして、液晶ライトバルブの各領域に対して異なる角度で出入射する光を利用すると、画面の各領域において表示画像のコントラストが区々となり、プロジェクタの画像表示品質が低下することになる。
【００４２】
これに対して、図４（ａ）のリレーレンズ系９０では、色変調ライトバルブ６０から出射した光が、前段レンズ９２、絞り９５および後段レンズ９８を介して、輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。この場合、色変調ライトバルブ６０から出射した光６１のうち、中央部の光９１のみが輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。すなわち、リレーレンズ系９０の光軸に対して略平行に色変調ライトバルブ６０の各領域から出射した光９１のみが利用されている。このように、液晶ライトバルブのどの領域からの出射光についても、同じ角度範囲の出射光を利用しうる性能が、出射側テレセントリック性である。また、液晶ライトバルブのどの領域に対しても、同じ角度範囲で光を入射させうる性能が、入射側テレセントリック性である。そして、リレーレンズ系９０が両側テレセントリック性を有することにより、画面の各領域における画像コントラストが略同一となり、良好な画像表示品質を有するプロジェクタを提供することができる。
【００４３】
図３に戻り、本実施形態のリレーレンズ系９０では、複数のレンズの間に少なくとも１個の反射光学素子９４，９６が配設されて、光路が折り曲げられている。なお、光学設計の容易性の観点から、反射光学素子９４，９６より前方のレンズ群と後方のレンズ群とがほぼ対称となるように、反射光学素子９４，９６を配設することが望ましい。図３では、前段レンズ群９２と後段レンズ群９８とが対称に配置されるように、絞り９５と前段レンズ群９２との間に前段反射光学素子９４が配設され、絞り９５と後段レンズ群９８との間に後段反射光学素子９６が配設されている。
【００４４】
その前段反射光学素子９４は、リレーレンズ系９０の入口から水平に入射した光を、上方に反射するように配設されている。また後段反射光学素子９６は、前段反射光学素子により反射された光を、リレーレンズ系９０の出口に向かって水平に反射するように配設されている。すなわちリレーレンズ系９０は、色変調ライトバルブ６０から入射した光の進行方向を、反射光学素子９４，９６により反転させて、輝度変調ライトバルブ１００に出射するように構成されている。そのため、反射光学素子９４，９６を採用したリレーレンズ系９０における水平方向の長さは、反射光学素子を採用しない場合の水平方向の長さに比べて、半分程度になっている。これにより、プロジェクタを小型化することができる。
【００４５】
上述した各反射光学素子９４，９６として、反射ミラーを採用することができる。またミラー以外に、ワイヤグリッド型偏光フィルタや偏光ビームスプリッタ等の反射型偏光子を採用することも可能である。反射型偏光子は、光束のうちの一部の偏光を透過し、一部の偏光を反射するものである。特に、互いに直交する直線偏光のうちの一方を透過し、他方を反射するものを用いることができる。なお、前段反射光学素子９４および後段反射光学素子９６の両方に反射型偏光子を採用してもよく、一方に反射型偏光子を採用し他方に反射ミラーを採用してもよい。
【００４６】
反射型偏光子として、具体的には、複屈折性を有する薄膜Ａと複屈折性を有しない薄膜Ｂとを複数積層した多層構造フィルムを用いる。ここで、薄膜ＡのＸ方向の屈折率が、薄膜Ｂの屈折率と同じになるように構成する。この場合、Ｘ方向には各層間の屈折率差がないことから、多層構造フィルムに入射したＸ方向の直線偏光は、そのまま透過する。一方、多層構造フィルムに入射したＹ方向の直線偏光は、薄膜Ａと薄膜Ｂとの界面で反射される。このとき、入射光の波長との関係で、薄膜Ａと薄膜Ｂとの膜厚比を適当に設定しておく。
【００４７】
また、反射型偏光子として、ワイヤグリッド型偏光フィルタを採用することも可能である。ワイヤグリッド型偏光フィルタは、構造複屈折型偏光板の一種であり、透明基板上に形成された金属薄膜に、所定方向に延びる微細な溝が形成された構造を有している。この金属薄膜は、アルミニウムやタングステン等を用いて、蒸着法やスパッタ法によって形成することができる。また微細溝は、２光束干渉露光法や、電子線描画法、Ｘ線リソグラフィー法等と、エッチングとを組み合わせることによって形成することができる。そして、この微細溝のピッチは、反射すべき光の波長より短く形成されている。これにより、微細溝と平行方向の直線偏光を反射し、垂直方向の直線偏光を透過することができるようになっている。このワイヤグリッド型偏光フィルタは、構造が単純なので容易に製造することができる。また、無機素材で構成されるため、極めて耐熱性に優れるとともに、光吸収をほとんど生じない。
【００４８】
図５は、偏光ビームスプリッタを採用したリレーレンズ系の側面図である。リレーレンズ系２９０の反射光学素子２９４，２９６として、反射型偏光子の一種である偏光ビームスプリッタを採用してもよい。この場合にも、他の反射型偏光子と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
ところで、色変調ライトバルブに採用される液晶パネルは、一対の基板により液晶層を挟持して構成されている。一対の基板の内側にはそれぞれ電極および配向膜が形成され、一対の基板の外側にはそれぞれ偏光板が配置されている。この偏光板は所定方向の直線偏光のみを透過させるものであり、各偏光板は透過軸を約９０°交差させて配置されている。そして、一対の基板の電極により液晶層に電界を印加して、液晶分子の配向を変化させ、液晶パネルに入射した直線偏光の偏光方向を制御することにより、画像表示が行われるようになっている。
【００５０】
上述した反射型偏光子はいずれも、直交する直線偏光のうちの一方を透過し、他方を反射するものである。そこで、リレーレンズ系の反射光学素子として反射型偏光子を採用すれば、その反射型偏光子を液晶パネルの偏光板として機能させることができる。具体的には、図３の前段反射光学素子９４として採用された反射型偏光子は、色変調ライトバルブ６０の出射側偏光板として機能させることが可能であり、後段反射光学素子９６として採用された反射型偏光子は、輝度変調ライトバルブ１００の入射側偏光板として機能させることが可能である。なお、各反射型偏光子の反射軸方向は、対応する偏光板の透過軸方向と一致させる。
【００５１】
このように、リレーレンズ系９０の反射型偏光子を液晶パネルの偏光板として機能させれば、液晶パネルの偏光板を省略することができるので、コストを低減することができる。なお、一般に液晶パネルの偏光板は、ポリビニルアルコール等の偏光基材に、ヨウ素等の偏光素子を吸着させて構成されている。このように有機材料からなる偏光板は、耐熱性が低いという問題がある。特にプロジェクタでは、画像の輝度を向上させるため、光源から強い光を照射する必要がある。そこで、偏光度が低い変光板を複数枚使用して、個々の偏光板の発熱を抑制することが行われている。これに対して、無機材料からなるワイヤグリッド型偏光フィルムは、耐熱性に優れている。したがって、リレーレンズ系の反射光学素子としてワイヤグリッド型偏光フィルムを採用すれば、プロジェクタの耐熱性を向上させることが可能になり、ひいては画像の輝度を向上させることができる。
【００５２】
図６は、反射プリズムを採用したリレーレンズ系の側面図である。図６のリレーレンズ系３９０では、前段レンズ群９２の出口から後段レンズ群９８の入口にかけて、反射プリズム３９５が配設されている。この反射プリズムは、屈折率が１．０を超えるガラス等の媒質で構成されている。また、反射プリズム３９５における各レンズ群９２，９８との対向面とは反対側の下端部および上端部に、傾斜した反射面３９４，３９６が設けられている。そして、前段レンズ群９２から反射プリズム３９５に入射した光は、反射面３９４により上方に反射され、さらに反射面３９６により水平方向に反射されて、反射プリズム３９５から後段レンズ群９８に出射するようになっている。この反射面３９４，３９６は、上記と同様に、反射ミラーや反射型偏光子、ワイヤグリッド偏光フィルタ等で構成することが可能である。
【００５３】
ところで、図１８のように直線配置された従来のリレーレンズ系に比べて、図３や図５のように光路を折り曲げたリレーレンズ系では、前段レンズ群９２と後段レンズ群９８との間隔を広げる必要があり、リレーレンズ系の光学設計に制約が生じる傾向がある。これに対して、図６のように反射プリズム３９５を採用したリレーレンズ系３９０では、前段レンズ群９２と後段レンズ群９８との間に、屈折率が１．０を超える媒質を配置しているため、光学的長さである空気換算光路長が短くなる。したがって、図３や図５の場合よりリレーレンズ系の光学設計上の制約が少なくなる。
【００５４】
図７は、リレーレンズ系に１個の反射光学素子を採用した場合のプロジェクタの平面図である。上述したリレーレンズ系ではいずれも、２個の反射光学素子を採用して、入射光の光路を上方に折り曲げ、さらに水平方向に折り曲げて、入射光と反対方向に出射させた。これに対して、図７に示すリレーレンズ系４９０のように、１個の反射光学素子４９５のみを採用し、入射光の光路を水平方向のみに折り曲げてもよい。この場合でも、反射光学素子を採用したリレーレンズ系４９０の水平方向の長さは、図１８のように反射光学素子を採用しないリレーレンズ系の水平方向の長さに比べて、半分程度になっている。これにより、プロジェクタを小型化することができる。また図７のリレーレンズ系４９０は、図３のように２個の反射光学素子９４，９６を採用したリレーレンズ系９０に比べて、光利用効率が高いという利点を有する。
【００５５】
［液晶ライトバルブの変調の具体例］
次に、表示画像データに基づく色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブの変調の具体例について詳しく説明する。
プロジェクタＰＪ１（図１参照）では、映像信号から生成された色変調信号で色変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）を、輝度変調信号で輝度変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ１００）を駆動することにより、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現する。液晶ライトバルブの変調制御は、次に説明する表示制御装置によって行う。
【００５６】
図８は、表示制御装置２００のハードウエア構成を示すブロック図である。
表示制御装置２００は、図８に示すように、制御プログラムに基づいて演算及びシステム全体を制御するＣＰＵ１７０と、所定領域にあらかじめＣＰＵ１７０の制御プログラム等を格納しているＲＯＭ１７２と、ＲＯＭ１７２等から読み出したデータやＣＰＵ１７０の演算過程で必要な演算結果を格納するためのＲＡＭ１７４と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するＩ／Ｆ１７８とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス１７９で相互にかつデータ授受可能に接続されている。
【００５７】
Ｉ／Ｆ１７８には、外部装置として、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを駆動するライトバルブ駆動装置１８０と、データやテーブル等をファイルとして格納する記憶装置１８２と、外部のネットワーク１９９に接続するための信号線とが接続されている。
【００５８】
記憶装置１８２には、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを駆動するためのＨＤＲ表示データおよび制御値登録テーブルが記憶されている。
【００５９】
ＨＤＲ画像データは、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することが可能な画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素値を画像の全画素について格納している。本実施形態では、ＨＤＲ画像データとして、１つの画素についてＲＧＢ３原色ごとに輝度レベルを示す画素値を浮動小数点値として格納した形式を用いる。例えば、１つの画素の画素値として（1.2，5.4，2.3）という値が格納されている。また、格納する値としては、放射輝度（Radiance）や輝度（Luminance）等の物理的な輝度に関する値を格納しているのも特徴である。放射輝度に人間の視感特性をかけたものが輝度であるため、以後の説明では二つを区別せずに輝度と呼ぶ。
【００６０】
なお、ＨＤＲ画像データの生成方法の詳細については、例えば、「P.E.Debevec，J.Malik，"Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs"，Proceedings of ACM SIGGRAPH97 ，pp.367-378(1997)」に掲載されている。
【００６１】
図９は、輝度変調ライトバルブに入力するための制御値を登録した制御値登録テーブル４００のデータ構造の説明図である。制御値登録テーブル（ルックアップテーブル；LUT）４００の各レコードは、輝度変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、各制御値に対応する輝度変調ライトバルブの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
【００６２】
図９の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００３」がそれぞれ登録されている。これは、輝度変調ライトバルブに対して制御値「０」を入力すると、輝度変調ライトバルブの透過率が０．３％となることを示している。なお、図９には輝度変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には輝度変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。
【００６３】
図１０は、色変調ライトバルブに入力するための制御値を登録した制御値登録テーブル４２０Ｒのデータ構造の説明図である。制御値登録テーブル（ルックアップテーブル；LUT）４２０Ｒの各レコードは、図２の色変調ライトバルブ６０Ｒの制御値を登録したフィールドと、色変調ライトバルブ６０Ｒの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
【００６４】
図１０の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００４」がそれぞれ登録されている。これは、色変調ライトバルブに対して制御値「０」を入力すると、色変調ライトバルブの透過率が０．４％となることを示している。なお、図１０には色変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には色変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。
また、図２の色変調ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇに対応する制御値登録テーブルのデータ構造については特に図示しないが、図１０の制御値登録テーブル４２０Ｒと同様のデータ構造を有している。ただし、同一の制御値に対して異なる透過率が登録されている場合もある。
【００６５】
［表示制御方法］
次に、上述したＨＤＲ画像データから各ライトバルブの制御値を生成して、プロジェクタを駆動する方法について説明する。
いま、ＨＤＲ画像データにおける画素ｐの輝度レベルをＲｐ、プロジェクタ全体における画素ｐに対応する領域の光変調率をＴｐ，輝度変調ライトバルブにおける画素ｐに対応する領域の透過率をＴ１、色変調ライトバルブにおける画素ｐに対応する領域の透過率をＴ２とすると、下式（１），（２）が成立する。
Ｒｐ ＝ Ｔｐ×Ｒｓ （１）
Ｔｐ ＝ Ｔ１×Ｔ２×Ｇ （２）
ただし、上式（１），（２）において、Ｒｓは光源の輝度、Ｇはゲインであり、いずれも定数である。
例えば、画素ｐの輝度レベルＲｐ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（1.2，5.4，2.3）、光源の輝度Ｒｓ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（10000，10000，10000）であるとすると、画素ｐの光変調率Ｔｐは、（1.2，5.4，2.3）／（10000，10000，10000）＝（0.00012，0.00054，0.00023）となる。
【００６６】
図１１は、制御値の生成方法のフローチャートである。
まず、ステップＳ１００では、ＣＰＵ１７０が記憶装置１８２からＨＤＲ画像データを読み出す。
【００６７】
次いで、ステップＳ１０２に移行して、読み出したＨＤＲ画像データを解析し、画素値のヒストグラムや、輝度レベルの最大値、最小値及び平均値等を算出する。この解析結果は、暗めのシーンを明るくしたり、明るすぎるシーンを暗くしたり、中間部コントラストを協調するなどの自動画像補正に使用したり、トーンマッピングに使用したりするためである。
【００６８】
次いで、ステップＳ１０４に移行して、ステップＳ１０２の解析結果に基づいて、ＨＤＲ画像データの輝度レベルを、プロジェクタの輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングする。
図１２は、トーンマッピング処理の説明図である。ＨＤＲ画像データを解析した結果、ＨＤＲ画像データに含まれる輝度レベルの最小値がＳminで、最大値がＳmaxであるとする。また、プロジェクタの輝度ダイナミックレンジの最小値がＤminで、最大値がＤmaxであるとする。図１２の例では、ＳminがＤminよりも小さく、ＳmaxがＤmaxよりも大きいので、このままでは、ＨＤＲ画像データを適切に表示することができない。そこで、Ｓmin〜ＳmaxのヒストグラムがＤmin〜Ｄmaxのレンジに収まるように正規化する。
【００６９】
なお、トーンマッピングの詳細については、例えば、「F.Drago, K.Myszkowski，T.Annen，N.Chiba，"Adaptive Logarithmic Mapping For Displaying High Contrast Scenes"， Eurographics 2003，(2003）」に記載されている。
【００７０】
次いで、図１１のステップＳ１０６に移行して、色変調ライトバルブの解像度（画素数）に合わせてＨＤＲ画像をリサイズ（拡大または縮小）する。このとき、ＨＤＲ画像のアスペクト比を保持したままＨＤＲ画像をリサイズする。リサイズ方法としては、例えば、平均値法、中間値法、ニアレストネイバー法（最近傍法）が挙げられる。
【００７１】
次いで、ステップＳ１０８に移行して、リサイズ画像の各画素の輝度レベルＲｐ及び光源１０の輝度Ｒｓに基づいて、上式（１）により、リサイズ画像の各画素につき光変調率Ｔｐを算出する。
【００７２】
次いで、ステップＳ１１０に移行して、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２として、初期値（例えば、０．２）を仮決定する。
【００７３】
次いで、ステップＳ１１２に移行して、色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの領域につき透過率Ｔ１’を算出する。具体的には、ステップＳ１０８で算出した光変調率Ｔｐ、ステップＳ１１０で仮決定した透過率Ｔ２、及びゲインＧに基づいて、上式（２）により、当該領域の透過率Ｔ１’を算出する。ここで、色変調ライトバルブが３枚の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで構成されていることから、同一の領域につきＲＧＢ３原色ごとに透過率Ｔ１’を算出する。そして、輝度変調ライトバルブが１枚の液晶ライトバルブ１００で構成されていることから、ＲＧＢ３原色ごとに算出した透過率の平均値等をその領域の透過率Ｔ１’とする。
【００７４】
次いで、ステップＳ１１４に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素につき透過率Ｔ１を算出する。具体的には、ステップＳ１１２で算出した輝度変調ライトバルブの各領域の透過率Ｔ１’のうち、輝度変調ライトバルブの画素と重なり合う領域の透過率Ｔ１’の重み付け平均値を算出して、当該画素における透過率Ｔ１を求める。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。
【００７５】
次いで、ステップＳ１１６に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素につき、算出した透過率Ｔ１に対応する制御値を、図９に示す制御値登録テーブル４００から読み出す。制御値の読出しでは、算出した透過率Ｔ１に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４００の中から選出し、選出した透過率に対応する制御値を読み出す。この選出は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
【００７６】
次いで、図１１のステップＳ１１８に移行して、色変調ライトバルブの各画素につき透過率Ｔ２を算出する。具体的には、ステップＳ１１４で算出した輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１のうち、色変調ライトバルブの画素と光路上で重なり合う画素の透過率Ｔ１の重み付け平均値を算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。その上で、算出した透過率Ｔ１の平均値、ステップＳ１０８で算出した光変調率Ｔｐ及びゲインＧに基づいて、上式（２）により、当該画素の透過率Ｔ２を算出する。
【００７７】
次いで、ステップＳ１２０に移行して、色変調ライトバルブの各画素につき、算出した透過率Ｔ２に対応する制御値を、図１０に示す制御値登録テーブル４２０Ｒ等から読み出す。制御値の読出しでは、算出した透過率Ｔ２に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４２０Ｒ等の中から選出し、選出した透過率に対応する制御値を読み出す。この選出は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
【００７８】
次いで、図１１のステップＳ１２２に移行して、ステップＳ１１６，Ｓ１２０で決定した制御値をライトバルブ駆動装置に格納する。その後、ライトバルブ駆動装置が格納された制御値を各ライトバルブに出力してこれらを駆動する。
【００７９】
［制御値の生成方法］
次に、色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）及び輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）に入力する制御値の生成過程を、図１１〜図１６に基づいて説明する。
以下では、色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）は、横１８画素×縦１２画素の解像度及び４ビットの階調数を有し、輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）は、横１５画素×縦１０画素の解像度及び４ビットの階調数を有する場合を例にとって説明を行う。また、色変調ライトバルブおよび輝度変調ライトバルブの図はいずれも光源１０の側から見たものである。
【００８０】
図１３は、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２を仮決定する過程の説明図である。
ステップＳ１１０（図１１参照、以下同じ）では、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が仮決定される。色変調ライトバルブの左上４区画の画素をｐ２１（左上）、ｐ２２（右上）、ｐ２３（左下）、ｐ２４（右下）とした場合、画素ｐ２１〜ｐ２４の透過率Ｔ２には、図１３に示すように、初期値Ｔ２０が与えられる。
【００８１】
図１４は、色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの領域について、透過率Ｔ１’を算出する過程の説明図である。
ステップＳ１１２では、色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの領域について透過率Ｔ１’が算出される。色変調ライトバルブの画素ｐ２１〜ｐ２４に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの領域における透過率Ｔ１１〜Ｔ１４は、図１４に示すように、画素ｐ２１〜ｐ２４の光変調率をＴｐ１〜Ｔｐ４、ゲインＧを「１」とすれば、下式（３）〜（６）により算出することができる。
Ｔ１１ ＝ Ｔｐ１／Ｔ２０ （３）
Ｔ１２ ＝ Ｔｐ２／Ｔ２０ （４）
Ｔ１３ ＝ Ｔｐ３／Ｔ２０ （５）
Ｔ１４ ＝ Ｔｐ４／Ｔ２０ （６）
【００８２】
例えば、Ｔｐ１＝0.00012、Ｔｐ２＝0.05、Ｔｐ３＝0.02、Ｔｐ４＝0.01、Ｔ２０＝0.1である場合には、上式（３）〜（６）により、Ｔ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.1となる。
【００８３】
図１５は、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を決定する過程の説明図である。
ステップＳ１１４では、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１が決定される。輝度変調ライトバルブと色変調ライトバルブとは、リレーレンズ系９０によって互いに倒立結像する関係にあるので、色変調パネルの左上４区画の画素は輝度変調ライトバルブの右下部に結像される。そこで、図１５（ａ）に示すように、輝度変調ライトバルブの右下４区画の画素をｐ１１（右下）、ｐ１２（左下）、ｐ１３（右上）、ｐ１４（左上）とする。ここで、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブとは解像度が異なることから、画素ｐ１１は画素ｐ２１〜画素ｐ２４（図１４参照）と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、各ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて、図１５（ｂ）に示すように画素ｐ１１は６×６の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ１１が画素ｐ２１〜ｐ２４とそれぞれ重なり合う面積比は、２５：５：５：１となる。したがって、画素ｐ１１の透過率Ｔ１５は、下式（７）により算出することができる。
Ｔ１５＝（Ｔ１１×２５＋Ｔ１２×５＋Ｔ１３×５＋Ｔ１４×１）／３６ （７）
【００８４】
例えば、Ｔ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.002である場合は、上式（７）により、Ｔ１５＝0.1008となる。
図１５（ｃ）に示す画素ｐ１２〜ｐ１４の透過率Ｔ１６〜Ｔ１８についても、画素ｐ１１と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
【００８５】
次いで、図１１のステップＳ１１６では、輝度変調ライトバルブの画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ１に対応する制御値が、図９に示す制御値登録テーブル４００から読み出される。例えば、Ｔ１５＝0.1008であるので、制御値登録テーブル４００を参照すると、0.09が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４００からは、画素ｐ１１の制御値として「８」が読み出される。
【００８６】
図１６は、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を決定する過程の説明図である。
ステップＳ１１８では、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が決定される。上述したように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブとは解像度が異なることから、図１６（ａ）に示すように、画素ｐ２４は画素ｐ１１〜画素ｐ１４（図１５参照）と光路上で重なり合う。また、色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、輝度変調ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて、図１６（ｂ）に示すように画素ｐ２４は５×５の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ２４が画素ｐ１１〜ｐ１４とそれぞれ重なり合う面積比は、１：４：４：１６となる。したがって、画素ｐ２４に対応する輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１９は、画素ｐ１１〜ｐ１４の透過率の重み付け平均値として、下式（８）により算出することができる。
Ｔ１９＝（Ｔ１５×１＋Ｔ１６×４＋Ｔ１７×４＋Ｔ１８×１６）／２５ （８）
そして、画素ｐ２４の透過率Ｔ２４は、ゲインＧを「１」として、下式（９）により算出することができる。
Ｔ２４＝Ｔｐ４／Ｔ１９ （９）
【００８７】
例えば、Ｔ１５＝0.09、Ｔ１６＝0.33、Ｔ１７＝0.15、Ｔ１８＝0.06、Ｔｐ４＝0.01である場合は、上式（８），（９）により、Ｔ１９＝0.1188、Ｔ２４＝0.0842となる。
図１６（ｃ）に示す画素ｐ２１〜ｐ２３の透過率Ｔ２１〜Ｔ２３についても、画素ｐ２４と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
【００８８】
次いで、図１１のステップＳ１２０では、色変調ライトバルブの画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ２に対応する制御値が、図１０に示す制御値登録テーブル４２０Ｒ等から読み出される。例えば、液晶ライトバルブ６０Ｒの画素ｐ２４についてＴ２４＝0.0842である場合、制御値登録テーブル４２０Ｒを参照すると、0.07が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４２０Ｒからは、画素ｐ２４の制御値として「７」が読み出される。
【００８９】
そして、ステップＳ１２２において、ステップＳ１１６，Ｓ１２０で決定された制御値をライトバルブ駆動装置に格納する。その後、ライトバルブ駆動装置が格納された制御値を各ライトバルブに入力して、光変調および輝度変調を行うことによりプロジェクタを駆動する。
【００９０】
［その他の変形例］
上記実施形態では、３板式のプロジェクタを例にして説明したが、単板式のプロジェクタに本発明を適用することも可能である。この単板式のプロジェクタは、光源、均一照明系、第１光変調素子、リレーレンズ系、第２光変調素子および投射レンズを主として構成され、光源として白色光源を採用した場合には、第１光変調素子または第２光変調素子としての液晶ライトバルブにカラーフィルタが配設される。
【００９１】
また、上記実施形態では、投射型表示装置を例にして説明したが、直視型表示装置に本発明を適用することも可能である。この直視型表示装置では、第２変調素子上で変調された画像光を直接見ることとなる。直視型表示装置は、明るい場所での鑑賞に適するという利点がある。
【００９２】
また、上記実施形態では、色変調ライトバルブで色変調された光に対し、輝度変調ライトバルブにて輝度変調を行うように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブで輝度変調された光に対し、色変調ライトバルブにて色変調を行うように構成することもできる。また、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを用いて光の輝度を２段階に変調するように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを２セット用いて光の輝度を２段階に変調するように構成することもできる。
【００９３】
また、上記実施形態では、光源１０として白色光を射出する単体の光源を用い、この白色光をＲＧＢの３原色の光に分光するようにしているが、これに限らず、ＲＧＢの３原色にそれぞれ対応した、赤色の光を射出する光源、青色の光を射出する光源及び緑色の光を射出する光源の３つの光源を用い、白色光を分光する手段を取り除いた構成としても良い。
【００９４】
また、上記実施形態では、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００としてアクティブマトリックス型の液晶表示素子を用いて構成したが、これに限らず、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００としてパッシブマトリックス型の液晶表示素子及びセグメント型の液晶表示素子を用いて構成することもできる。アクティブマトリックス型の液晶表示は、精密な階調表示ができるという利点があり、パッシブマトリックス型の液晶表示素子及びセグメント型の液晶表示素子は、安価に製造できるという利点を有する。
【００９５】
また、上記実施形態では、輝度変調ライトバルブまたは色変調ライトバルブを透過型の光変調素子である液晶パネルによって構成したが、これに限らず、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の反射型の光変調素子で構成することもできる。
【００９６】
また、リレーレンズ系と輝度変調ライトバルブとの間に、光の偏光状態を補償する偏光補償光学系を配設してもよい。偏光補償光学系としては、偏光補償機能を有する誘電体膜や、レクチファイアを用いた構成を採用することができる。
【００９７】
また、上記各実施の形態において、図１１のフローチャートに示す処理を実行するにあたっては、ＲＯＭ１７２にあらかじめ格納されている制御プログラムを実行する場合について説明したが、これに限らず、これらの手順を示したプログラムが記憶された記憶媒体から、そのプログラムをＲＡＭ１７４に読み込んで実行するようにしてもよい。
【００９８】
ここで、記憶媒体とは、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体記憶媒体、ＦＤ、ＨＤ等の磁気記憶型記憶媒体、ＣＤ、ＣＤＶ、ＬＤ、ＤＶＤ等の光学的読取方式記憶媒体、ＭＯ等の磁気記憶型／光学的読取方式記憶媒体であって、電子的、磁気的、光学的等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体であれば、あらゆる記憶媒体を含むものである。
【００９９】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明に係る画像表示装置（プロジェクタ）の側面図である。
【図２】本発明に係る画像表示装置（プロジェクタ）の平面断面図である。
【図３】実施形態のリレーレンズ系の構成を示す側面図である。
【図４】テレセントリック性の説明図である。
【図５】偏光ビームスプリッタを採用したリレーレンズ系の側面図である。
【図６】反射プリズムを採用したリレーレンズ系の側面図である。
【図７】リレーレンズ系に１個の反射光学素子を採用した場合のプロジェクタの平面図である。
【図８】表示制御装置のハードウエア構成を示すブロック図である。
【図９】輝度変調ライトバルブの制御値登録テーブルのデータ構造図である。
【図１０】色変調ライトバルブの制御値登録テーブルのデータ構造図である。
【図１１】制御値の生成方法のフローチャートである。
【図１２】トーンマッピング処理の説明図である。
【図１３】色変調ライトバルブの透過率を仮決定する場合の説明図である。
【図１４】色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの各領域の透過率を算出する場合の説明図である。
【図１５】輝度変調ライトバルブの各画素の透過率を決定する場合の説明図である。
【図１６】色変調ライトバルブの各画素の透過率を決定する場合の説明図である。
【図１７】本願発明者らが開発したプロジェクタの平面図である。
【図１８】従来のリレーレンズ系の説明図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０‥光源 ６０Ｇ‥色変調ライトバルブ ９０‥リレーレンズ系 ９４，９６‥反射光学素子 １００‥輝度変調ライトバルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置およびプロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ（Electro-luminescence）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の電子ディスプレイ装置における画質改善は目覚しく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能を有する装置が実現されつつある。しかし、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は１〜１０２［nit］程度の範囲であり、また階調数は８ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジの範囲が１０−２〜１０４［nit］程度あり、また輝度弁別能力は０．２［nit］でこれを階調数に換算すると１２ビット相当といわれている。このような視覚特性を通じて現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため、表示画像のリアリティや迫力に対して物足りなさを感じることになる。
【０００３】
映画やゲーム等で使用されるＣＧ（Computer Graphics）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を有する画像データ（以下、ＨＤＲ（High Dynamic Range）画像データという。）を用いて、描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。しかし、それを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているために、ＣＧコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。
【０００４】
さらに、次世代ＯＳ（Operating System）においては、１６ビット色空間の採用が予定されており、現在の８ビット色空間と比較してダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大する。そのため、１６ビット色空間を生かすことができる高ダイナミックレンジ・高階調の電子ディスプレイ装置実現への要求が高まると予想される。
【０００５】
ディスプレイ装置の中でも、液晶プロジェクタや、ＤＬＰ（Digital Light Processing、ＴＩ社の登録商標）プロジェクタといった投射型表示装置は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティや迫力を再現する上で効果的なディスプレイ装置である。この分野では上記の課題を解決するために、以下に述べる提案がなされている。
【０００６】
高ダイナミックレンジのディスプレイ装置としては、例えば、特許文献１に開示されている技術があり、光源と、光の全波長領域の輝度を変調する第２光変調素子と、光の波長領域のうちＲＧＢ３原色の各波長領域についてその波長領域の輝度を変調する第１光変調素子とを備え、光源からの光を第２光変調素子で変調して所望の輝度分布を形成し、その光学像を第１光変調素子の表示面に結像して色変調し、２次変調した光を投射するというものである。第２光変調素子及び第１光変調素子の各画素は、ＨＤＲ表示データから決定される第１制御値及び第２制御値に基づいてそれぞれ別個に制御される。光変調素子としては、透過率が独立に制御可能な画素構造またはセグメント構造を有し、二次元的な透過率分布を制御し得る透過型変調素子が用いられる。その代表例としては、液晶ライトバルブがあげられる。また、透過型変調素子の代わりに反射型変調素子を用いてもよく、その代表例としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子があげられる。
【０００７】
いま、暗表示の透過率が０．２％、明表示の透過率が６０％の光変調素子を使用する場合を考える。光変調素子単体では、輝度ダイナミックレンジは、６０／０．２＝３００となる。上記ディスプレイ装置は、輝度ダイナミックレンジが３００の光変調素子を光学的に直列に配置することに相当するので、３００×３００＝９００００の輝度ダイナミックレンジを実現することができる。また、階調数についてもこれと同等の考えが成り立ち、８ビット階調の光変調素子を光学的に直列に配置することにより、８ビットを超える階調数を得ることができる。
【特許文献１】特開２００１−１００６８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１記載の発明においては、光学収差が大きい照明光学系用の光学素子を用いて第１変調素子で形成した光学像を第２変調素子に伝達しているために所望の光強度分布を有する照明光を第１光変調素子上に正確に伝達することが困難であるという問題があった。
【０００９】
そこで、本願発明者らは、図１７に示すプロジェクタを開発している。図１７に示すプロジェクタは、表示画像データに基づき光源１０からの光を変調して画像を表示するものであって、光源１０からの光の光伝搬特性を制御する複数の第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂと、各第１光変調素子からの光を合成する光合成手段８０と、光合成手段によって合成された合成光の光伝搬特性を制御する第２光変調素子１００と、前記第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂ上に形成された光学像を前記第２光変調素子１００上に伝達するリレーレンズ系９０とを有するものである。
【００１０】
このような構成であれば、複数の第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂ上に形成された光学像を、結像性能が高いリレーレンズ系９０によって第２光変調素子１００上に伝達することが可能である。これにより合成光伝達時の光学収差の低減が可能となる。つまり、光合成手段８０からの合成光を第２光変調素子１００へと比較的高い精度で伝達することができるので、従来に比して前記合成光の第２光変調素子１００への結像精度を向上できるという効果が得られる。
【００１１】
図１８は、従来のリレーレンズ系の説明図である。しかしながら、上述したリレーレンズ系９０は、（１）プロジェクタの十分な光束を確保するため、Ｆナンバーが２程度の明るさを必要とし、（２）透過型液晶ライトバルブの画素単位の光量分布を伝達するため、１０μｍ程度の解像能力を必要とし、（３）液晶の視角依存性による画質劣化を回避するため、両側テレセントリック特性を必要とする、といった各種性能を満足する必要がある。ここで、第１光変調素子６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂおよび第２光変調素子１００として画面サイズが１インチ程度の透過型液晶ライトバルブを使用した場合に、上記（１）〜（３）の性能を兼ね備えるリレーレンズ系９０は、水平方向における長さが２００ｍｍ以上の長いものになる。その結果、第１光変調素子と第２光変調素子との間の距離である共役長が３００ｍｍ以上となって、プロジェクタが大型化するという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、小型化の可能な画像表示装置およびプロジェクタの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、前記光源からの光を変調する第１光変調素子と、前記第１光変調素子からの光を変調する第２光変調素子と、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配され、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像するリレーレンズ系と、前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズの間に配置された少なくとも１個の反射光学素子と、を備えることを特徴とする。
特に、前記リレーレンズ系は、前記第１光変調素子から入射した光の進行方向を、前記反射光学素子により反転させて、前記第２光変調素子に出射することが望ましい。
このように、反射光学素子を採用して光路を折り曲げたリレーレンズ系の水平方向の長さは、反射光学素子を採用しない場合と比べて短くなる。したがって、画像表示装置を小型化することができる。
【００１４】
また、前記リレーレンズ系は、両側テレセントリック性を有することが望ましい。
両側テレセントリック性を有することにより、画面の各領域における画像コントラストが略同一となり、良好な画像表示品質を有する画像表示装置を提供することができる。そして、両側テレセントリック性を有するリレーレンズ系は、多くのレンズで構成されるため、水平方向の長さが長くなる。したがって、反射光学素子を採用して光路を折り曲げることにより、画像表示装置を小型化することができる。
【００１５】
また、前記反射光学素子は、前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズのうち前記反射光学素子の前段レンズ群と前記反射光学素子の後段レンズ群とが、対称となる位置に配置されていることが望ましい。
この構成によれば、リレーレンズ系の光学設計が容易になる。
【００１６】
また、前記反射光学素子は、反射型偏光子であることが望ましい。
反射型偏光子は、光束のうちの一部の偏光を透過し一部の偏光を反射するものであるから、各光変調素子の偏光板として機能させることができる。これにより、各光変調素子の偏光板を省略することができるので、コストを低減することができる。
【００１７】
また、前記反射光学素子は、ワイヤグリッド型偏光フィルタであることが望ましい。
このワイヤグリッド型偏光フィルタは、構造が単純なので容易に製造することができる。また、無機素材で構成されるため、極めて耐熱性に優れるとともに、光吸収をほとんど生じない。そして、各光変調素子の偏光板を省略してワイヤグリッド型偏光フィルタを用いることにより、画像表示装置の耐熱性を向上させることができる。
なお、前記反射光学素子は、偏光ビームスプリッタであってもよい。
【００１８】
また、前記反射光学素子は、反射プリズムのプリズム面に形成されていることが望ましい。
反射プリズムを採用することにより、リレーレンズ系の空気換算光路長が短くなる。したがって、リレーレンズ系の光学設計上の制約が少なくなる。
【００１９】
一方、本発明のプロジェクタは、上述した画像表示装置と、投射手段と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、プロジェクタを小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１および図２は、本実施形態の画像表示装置及びプロジェクタの一例であり、プロジェクタＰＪ１の主たる光学構成を示す図である。図１は側面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線における平面断面図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における平面断面図である。
図１および図２に示すように、プロジェクタＰＪ１は、光源１０と、光源１０から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明系２０と、均一照明系２０から入射した光の波長領域のうちのＲＧＢ３原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部２５（第１変調手段としての３つの透過型液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを含む）と、色変調部２５から入射した光をリレーするリレーレンズ系９０と、リレーレンズ系９０から入射した光の全波長領域の輝度を変調する第２変調手段としての透過型液晶ライトバルブ１００と、液晶ライトバルブ１００から入射した光をスクリーン（不図示）に投射する投射レンズ１１０と、を含んで構成されている。
【００２２】
［プロジェクタの全体構成］
光源１０は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなるランプ１１と、ランプ１１からの射出光を反射・集光するリフレクタ１２とを含んで構成されている。
【００２３】
均一照明系２０は、フライアイレンズ等からなる２つのレンズアレイ２１，２２と、偏光変換素子２３と、集光レンズ２４とを含んで構成されている。そして、光源１０からの光の輝度分布を２つのレンズアレイ２１，２２により均一化し、均一化した光を偏光変換素子２３により色変調部の入射可能偏光方向に偏光し、偏光した光を集光レンズ２４により集光して色変調部２５に射出する。なお、偏光変換素子２３は、例えばＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）アレイおよび１／２波長板で構成されており、ランダム偏光を特定の直線偏光に変換するものである。
【００２４】
色変調部２５は、光分離手段としての２つのダイクロイックミラー３０，３５と、３つのミラー（反射ミラー３６，４５，４６）と、５つのフィールドレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）と、３つの液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと、クロスダイクロイックプリズム８０と、を含んで構成されている。
【００２５】
ダイクロイックミラー３０，３５は、光源１０からの光（白色光）を、赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）、青色光（Ｂ光）のＲＧＢ３原色光に分離（分光）するものである。ダイクロイックミラー３０は、Ｂ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する性質のダイクロイック膜をガラス板等に形成したもので、光源１０からの白色光に含まれるＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する。ダイクロイックミラー３５は、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過する性質のダイクロイック膜をガラス板等に形成したもので、ダイクロイックミラー３０を透過したＧ光及びＢ光のうち、Ｇ光を反射して平行化レンズ５０Ｇに伝達し、Ｂ光を透過してレンズ４１に伝達する。
【００２６】
リレーレンズ４２はレンズ４１近傍の光（光強度分布）を平行化レンズ５０Ｂ近傍に伝達するもので、レンズ４１はリレーレンズ４２に光を効率よく入射させる機能を有する。レンズ４１に入射したＢ光はその強度分布をほぼ保存された状態で、かつ光損失を殆ど伴うことなく空間的に離れた液晶ライトバルブ６０Ｂに伝達される。
【００２７】
平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒは、対応する液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する各色光を略平行化して入射光の角度分布を狭め、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの表示特性を向上させる機能を有している。そして、ダイクロイックミラー３０，３５で分光されたＲＧＢ３原色の光は、上述したミラー（反射ミラー３６，４５，４６）及びフィールドレンズ（レンズ４１、リレーレンズ４２、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ）を介して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射する。
【００２８】
液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、画素電極及びこれを駆動するための薄膜トランジスタや薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にＴＮ型液晶を挟み込むとともに、外面に偏光板を配置したアクティブマトリクス型の液晶表示素子である。
【００２９】
また、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、電圧非印加状態で白／明（透過）状態、電圧印加状態で黒／暗（非透過）状態となるノーマリーホワイトモード、またはその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、電極間に与えられた制御値（制御電圧）に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。液晶ライトバルブ６０Ｂは、入射されたＢ光を制御値に基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｇは、入射されたＧ光を制御値に基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ６０Ｒは、入射されたＲ光を制御値に基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。
【００３０】
クロスダイクロイックプリズム８０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造からなり、その内部には、Ｂ光を反射する誘電体多層膜（Ｂ光反射ダイクロイック膜８１）及びＲ光を反射する誘電体多層膜（Ｒ光反射ダイクロイック膜８２）が断面Ｘ字状に形成されている。そして、液晶ライトバルブ６０ＧからのＧ光を透過し、液晶ライトバルブ６０ＲからのＲ光と液晶ライトバルブ６０ＢからのＢ光とを折り曲げてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。
【００３１】
リレーレンズ系９０は、クロスダイクロイックプリズム８０で合成された液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの光学像（光強度分布）を、液晶ライトバルブ１００の表示面上に伝達するものである。本実施形態のリレーレンズ系９０は、クロスダイクロイックプリズム８０からの出射光を上方に屈折させ、さらに水平方向に屈折させて、クロスダイクロイックプリズム８０の上方に配置された液晶ライトバルブ１００に対して、光学像を伝達するものである。リレーレンズ系９０の構成および機能については、後で詳しく説明する。
【００３２】
液晶ライトバルブ１００は、前述した液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒと同等の構成からなり、入射した光の全波長領域の輝度を制御値に基づいて変調する。そして、最終的な光学像を内包した変調光を、ミラー１０９により９０°屈折させて、投射レンズ１１０に射出する。
投射レンズ１１０は、液晶ライトバルブ１００の表示面上に形成された光学像を、図示しないスクリーン上に投射してカラー画像を表示する。
【００３３】
次に、プロジェクタＰＪ１の全体的な光伝達の流れを説明する。光源１０からの白色光はダイクロイックミラー３０，３５により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色光に分光されるとともに、平行化レンズ５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒを含むレンズ及びミラーを介して、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射される。その液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒは、後述するＨＤＲ画像データに基づいて生成された制御値によって駆動され、画素単位で光透過率を変化させうるようになっている。したがって、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒに入射した各々の色光は、それぞれの波長領域に応じて色変調され、光学像を内包した変調光として射出される。
【００３４】
液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒからの各変調光は、それぞれクロスダイクロイックプリズム８０に入射し、そこで一つの光に合成され、リレーレンズ系９０に入射する。リレーレンズ系９０は、入射した合成光を上方に屈折させ、さらに水平方向に屈折させて、液晶ライトバルブ１００に伝達する。液晶ライトバルブ１００も同様に、後述するＨＤＲ画像データに基づいて生成された制御値によって駆動され、画素単位で光透過率を変化させうるようになっている。したがって、液晶ライトバルブ１００に入射した合成光は、全波長域について輝度変調され、最終的な光学像を内包した変調光として投射レンズ１１０へ射出される。そして、投射レンズ１１０において、液晶ライトバルブ１００からの最終的な合成光を図示しないスクリーン上に投射し所望の画像を表示する。
【００３５】
このように、プロジェクタＰＪ１では、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで光学像（画像）を形成した変調光を用いて、最終的な表示画像を第２光変調素子としての液晶ライトバルブ１００で形成する形態を採用しており、直列に配置された２つのライトバルブを介して、２段階の画像形成過程によって光源１０からの光を変調する。その結果、プロジェクタＰＪ１は、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現することができるようになっている。
【００３６】
また、プロジェクタＰＪ１では、第１光変調素子としての液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及びクロスダイクロイックプリズム８０の後段に、結像性能が優れたリレーレンズ系９０を介して第２光変調素子としての液晶ライトバルブ１００を配置したので、液晶ライトバルブ１００を、ダイクロイックミラー３０，３５および液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの前段に配置する従来の類似の光学系と比べて、伝達光の光学収差を低減し、結像（伝達）精度を向上することが可能となる。
【００３７】
ここで、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ及び液晶ライトバルブ１００は、いずれも透過光の強度を変調しその変調度合いに応じた光学像を内包する点で一致するが、後者の液晶ライトバルブ１００が全波長域の光（白色光）を変調するのに対して、前者の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒが光分離手段であるダイクロイックミラー３０，３５で分光された特定波長領域の光（Ｒ，Ｇ，Ｂなどの色光）を変調する点で異なっている。したがって、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで行われる光強度変調を色変調、液晶ライトバルブ１００で行われる光強度変調を輝度変調と便宜的に呼称して区別する。また、同様の観点から、以下の説明では液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒを色変調ライトバルブ、液晶ライトバルブ１００を輝度変調ライトバルブと呼称して区別する場合がある。
【００３８】
そして、色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブに入力する制御値の内容については、後ほど詳述する。なお、本実施形態では、色変調ライトバルブは輝度変調ライトバルブよりも高い解像度を有し、よって、色変調ライトバルブが表示解像度（プロジェクタＰＪ１の表示画像を観測者が見たときに観測者が知覚する解像度をいう。）を決定する場合を想定している。勿論、表示解像度の関係はこれに限定されず、同じ解像度の色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブを採用することも可能であるし、また輝度変調ライトバルブが色変調ライトバルブよりも高い解像度を有し、輝度変調ライトバルブが表示解像度を決定する構成を採用することも可能である。
【００３９】
［リレーレンズ系］
次に、リレーレンズ系の構成および機能につき、図を用いて詳しく説明する。
図３は、本実施形態のリレーレンズ系９０の構成を示す側面図である。なお図３では、理解を容易にするため、３原色用の３個の色変調ライトバルブを１個の色変調ライトバルブ６０で代表して描き、なおかつ色変調ライトバルブ６０とリレーレンズ系９０との間にあるクロスダイクロイックプリズムを省略して描いているが、光学的には図１および図２の構成と等価なものである。
【００４０】
図３のリレーレンズ系９０は、各色変調用の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒの光学像を液晶ライトバルブ１００の画素面に結像するものであって、開口絞り９５に対してほぼ対称に配置された前段レンズ群９２及び後段レンズ群９８からなる等倍結像レンズである。前段レンズ群９２及び後段レンズ群９８は、複数の凸レンズ及び凹レンズを含んで構成され、両側テレセントリック性を有している。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔及び枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図３の例に限定されるものではない。リレーレンズ系９０は、多数枚のレンズから構成されるので、収差補正がよく、各色変調用の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで形成される輝度分布を正確に液晶ライトバルブ１００に伝達することができる。
【００４１】
図４は、テレセントリック性の説明図であり、図４（ａ）は両側テレセントリック性を有するリレーレンズ系であり、図４（ｂ）は有しないリレーレンズ系である。
図４（ｂ）のリレーレンズ系１９０では、色変調ライトバルブ６０から出射された光が、レンズ１９５を介して、輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。この場合、色変調ライトバルブ６０の各領域から所定の角度範囲に出射された光６１のうち、一部の角度範囲に出射された光１９１のみが輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。そして、色変調ライトバルブ６０の各領域では、異なる角度範囲に出射された光が輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。一方、輝度変調ライトバルブ１００の各領域に対しては、異なる角度で光が入射するようになっている。ところで、一般に液晶ライトバルブは視角依存性を有するため、光の出入射角度によってコントラストが異なることになる。そして、液晶ライトバルブの各領域に対して異なる角度で出入射する光を利用すると、画面の各領域において表示画像のコントラストが区々となり、プロジェクタの画像表示品質が低下することになる。
【００４２】
これに対して、図４（ａ）のリレーレンズ系９０では、色変調ライトバルブ６０から出射した光が、前段レンズ９２、絞り９５および後段レンズ９８を介して、輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。この場合、色変調ライトバルブ６０から出射した光６１のうち、中央部の光９１のみが輝度変調ライトバルブ１００に伝達されている。すなわち、リレーレンズ系９０の光軸に対して略平行に色変調ライトバルブ６０の各領域から出射した光９１のみが利用されている。このように、液晶ライトバルブのどの領域からの出射光についても、同じ角度範囲の出射光を利用しうる性能が、出射側テレセントリック性である。また、液晶ライトバルブのどの領域に対しても、同じ角度範囲で光を入射させうる性能が、入射側テレセントリック性である。そして、リレーレンズ系９０が両側テレセントリック性を有することにより、画面の各領域における画像コントラストが略同一となり、良好な画像表示品質を有するプロジェクタを提供することができる。
【００４３】
図３に戻り、本実施形態のリレーレンズ系９０では、複数のレンズの間に少なくとも１個の反射光学素子９４，９６が配設されて、光路が折り曲げられている。なお、光学設計の容易性の観点から、反射光学素子９４，９６より前方のレンズ群と後方のレンズ群とがほぼ対称となるように、反射光学素子９４，９６を配設することが望ましい。図３では、前段レンズ群９２と後段レンズ群９８とが対称に配置されるように、絞り９５と前段レンズ群９２との間に前段反射光学素子９４が配設され、絞り９５と後段レンズ群９８との間に後段反射光学素子９６が配設されている。
【００４４】
その前段反射光学素子９４は、リレーレンズ系９０の入口から水平に入射した光を、上方に反射するように配設されている。また後段反射光学素子９６は、前段反射光学素子により反射された光を、リレーレンズ系９０の出口に向かって水平に反射するように配設されている。すなわちリレーレンズ系９０は、色変調ライトバルブ６０から入射した光の進行方向を、反射光学素子９４，９６により反転させて、輝度変調ライトバルブ１００に出射するように構成されている。そのため、反射光学素子９４，９６を採用したリレーレンズ系９０における水平方向の長さは、反射光学素子を採用しない場合の水平方向の長さに比べて、半分程度になっている。これにより、プロジェクタを小型化することができる。
【００４５】
上述した各反射光学素子９４，９６として、反射ミラーを採用することができる。またミラー以外に、ワイヤグリッド型偏光フィルタや偏光ビームスプリッタ等の反射型偏光子を採用することも可能である。反射型偏光子は、光束のうちの一部の偏光を透過し、一部の偏光を反射するものである。特に、互いに直交する直線偏光のうちの一方を透過し、他方を反射するものを用いることができる。なお、前段反射光学素子９４および後段反射光学素子９６の両方に反射型偏光子を採用してもよく、一方に反射型偏光子を採用し他方に反射ミラーを採用してもよい。
【００４６】
反射型偏光子として、具体的には、複屈折性を有する薄膜Ａと複屈折性を有しない薄膜Ｂとを複数積層した多層構造フィルムを用いる。ここで、薄膜ＡのＸ方向の屈折率が、薄膜Ｂの屈折率と同じになるように構成する。この場合、Ｘ方向には各層間の屈折率差がないことから、多層構造フィルムに入射したＸ方向の直線偏光は、そのまま透過する。一方、多層構造フィルムに入射したＹ方向の直線偏光は、薄膜Ａと薄膜Ｂとの界面で反射される。このとき、入射光の波長との関係で、薄膜Ａと薄膜Ｂとの膜厚比を適当に設定しておく。
【００４７】
また、反射型偏光子として、ワイヤグリッド型偏光フィルタを採用することも可能である。ワイヤグリッド型偏光フィルタは、構造複屈折型偏光板の一種であり、透明基板上に形成された金属薄膜に、所定方向に延びる微細な溝が形成された構造を有している。この金属薄膜は、アルミニウムやタングステン等を用いて、蒸着法やスパッタ法によって形成することができる。また微細溝は、２光束干渉露光法や、電子線描画法、Ｘ線リソグラフィー法等と、エッチングとを組み合わせることによって形成することができる。そして、この微細溝のピッチは、反射すべき光の波長より短く形成されている。これにより、微細溝と平行方向の直線偏光を反射し、垂直方向の直線偏光を透過することができるようになっている。このワイヤグリッド型偏光フィルタは、構造が単純なので容易に製造することができる。また、無機素材で構成されるため、極めて耐熱性に優れるとともに、光吸収をほとんど生じない。
【００４８】
図５は、偏光ビームスプリッタを採用したリレーレンズ系の側面図である。リレーレンズ系２９０の反射光学素子２９４，２９６として、反射型偏光子の一種である偏光ビームスプリッタを採用してもよい。この場合にも、他の反射型偏光子と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
ところで、色変調ライトバルブに採用される液晶パネルは、一対の基板により液晶層を挟持して構成されている。一対の基板の内側にはそれぞれ電極および配向膜が形成され、一対の基板の外側にはそれぞれ偏光板が配置されている。この偏光板は所定方向の直線偏光のみを透過させるものであり、各偏光板は透過軸を約９０°交差させて配置されている。そして、一対の基板の電極により液晶層に電界を印加して、液晶分子の配向を変化させ、液晶パネルに入射した直線偏光の偏光方向を制御することにより、画像表示が行われるようになっている。
【００５０】
上述した反射型偏光子はいずれも、直交する直線偏光のうちの一方を透過し、他方を反射するものである。そこで、リレーレンズ系の反射光学素子として反射型偏光子を採用すれば、その反射型偏光子を液晶パネルの偏光板として機能させることができる。具体的には、図３の前段反射光学素子９４として採用された反射型偏光子は、色変調ライトバルブ６０の出射側偏光板として機能させることが可能であり、後段反射光学素子９６として採用された反射型偏光子は、輝度変調ライトバルブ１００の入射側偏光板として機能させることが可能である。なお、各反射型偏光子の反射軸方向は、対応する偏光板の透過軸方向と一致させる。
【００５１】
このように、リレーレンズ系９０の反射型偏光子を液晶パネルの偏光板として機能させれば、液晶パネルの偏光板を省略することができるので、コストを低減することができる。なお、一般に液晶パネルの偏光板は、ポリビニルアルコール等の偏光基材に、ヨウ素等の偏光素子を吸着させて構成されている。このように有機材料からなる偏光板は、耐熱性が低いという問題がある。特にプロジェクタでは、画像の輝度を向上させるため、光源から強い光を照射する必要がある。そこで、偏光度が低い変光板を複数枚使用して、個々の偏光板の発熱を抑制することが行われている。これに対して、無機材料からなるワイヤグリッド型偏光フィルムは、耐熱性に優れている。したがって、リレーレンズ系の反射光学素子としてワイヤグリッド型偏光フィルムを採用すれば、プロジェクタの耐熱性を向上させることが可能になり、ひいては画像の輝度を向上させることができる。
【００５２】
図６は、反射プリズムを採用したリレーレンズ系の側面図である。図６のリレーレンズ系３９０では、前段レンズ群９２の出口から後段レンズ群９８の入口にかけて、反射プリズム３９５が配設されている。この反射プリズムは、屈折率が１．０を超えるガラス等の媒質で構成されている。また、反射プリズム３９５における各レンズ群９２，９８との対向面とは反対側の下端部および上端部に、傾斜した反射面３９４，３９６が設けられている。そして、前段レンズ群９２から反射プリズム３９５に入射した光は、反射面３９４により上方に反射され、さらに反射面３９６により水平方向に反射されて、反射プリズム３９５から後段レンズ群９８に出射するようになっている。この反射面３９４，３９６は、上記と同様に、反射ミラーや反射型偏光子、ワイヤグリッド偏光フィルタ等で構成することが可能である。
【００５３】
ところで、図１８のように直線配置された従来のリレーレンズ系に比べて、図３や図５のように光路を折り曲げたリレーレンズ系では、前段レンズ群９２と後段レンズ群９８との間隔を広げる必要があり、リレーレンズ系の光学設計に制約が生じる傾向がある。これに対して、図６のように反射プリズム３９５を採用したリレーレンズ系３９０では、前段レンズ群９２と後段レンズ群９８との間に、屈折率が１．０を超える媒質を配置しているため、光学的長さである空気換算光路長が短くなる。したがって、図３や図５の場合よりリレーレンズ系の光学設計上の制約が少なくなる。
【００５４】
図７は、リレーレンズ系に１個の反射光学素子を採用した場合のプロジェクタの平面図である。上述したリレーレンズ系ではいずれも、２個の反射光学素子を採用して、入射光の光路を上方に折り曲げ、さらに水平方向に折り曲げて、入射光と反対方向に出射させた。これに対して、図７に示すリレーレンズ系４９０のように、１個の反射光学素子４９５のみを採用し、入射光の光路を水平方向のみに折り曲げてもよい。この場合でも、反射光学素子を採用したリレーレンズ系４９０の水平方向の長さは、図１８のように反射光学素子を採用しないリレーレンズ系の水平方向の長さに比べて、半分程度になっている。これにより、プロジェクタを小型化することができる。また図７のリレーレンズ系４９０は、図３のように２個の反射光学素子９４，９６を採用したリレーレンズ系９０に比べて、光利用効率が高いという利点を有する。
【００５５】
［液晶ライトバルブの変調の具体例］
次に、表示画像データに基づく色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブの変調の具体例について詳しく説明する。
プロジェクタＰＪ１（図１参照）では、映像信号から生成された色変調信号で色変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）を、輝度変調信号で輝度変調ライトバルブ（図１に示す液晶ライトバルブ１００）を駆動することにより、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現する。液晶ライトバルブの変調制御は、次に説明する表示制御装置によって行う。
【００５６】
図８は、表示制御装置２００のハードウエア構成を示すブロック図である。
表示制御装置２００は、図８に示すように、制御プログラムに基づいて演算及びシステム全体を制御するＣＰＵ１７０と、所定領域にあらかじめＣＰＵ１７０の制御プログラム等を格納しているＲＯＭ１７２と、ＲＯＭ１７２等から読み出したデータやＣＰＵ１７０の演算過程で必要な演算結果を格納するためのＲＡＭ１７４と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するＩ／Ｆ１７８とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス１７９で相互にかつデータ授受可能に接続されている。
【００５７】
Ｉ／Ｆ１７８には、外部装置として、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを駆動するライトバルブ駆動装置１８０と、データやテーブル等をファイルとして格納する記憶装置１８２と、外部のネットワーク１９９に接続するための信号線とが接続されている。
【００５８】
記憶装置１８２には、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを駆動するためのＨＤＲ表示データおよび制御値登録テーブルが記憶されている。
【００５９】
ＨＤＲ画像データは、従来のｓＲＧＢ等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することが可能な画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素値を画像の全画素について格納している。本実施形態では、ＨＤＲ画像データとして、１つの画素についてＲＧＢ３原色ごとに輝度レベルを示す画素値を浮動小数点値として格納した形式を用いる。例えば、１つの画素の画素値として（1.2，5.4，2.3）という値が格納されている。また、格納する値としては、放射輝度（Radiance）や輝度（Luminance）等の物理的な輝度に関する値を格納しているのも特徴である。放射輝度に人間の視感特性をかけたものが輝度であるため、以後の説明では二つを区別せずに輝度と呼ぶ。
【００６０】
なお、ＨＤＲ画像データの生成方法の詳細については、例えば、「P.E.Debevec，J.Malik，"Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs"，Proceedings of ACM SIGGRAPH97 ，pp.367-378(1997)」に掲載されている。
【００６１】
図９は、輝度変調ライトバルブに入力するための制御値を登録した制御値登録テーブル４００のデータ構造の説明図である。制御値登録テーブル（ルックアップテーブル；LUT）４００の各レコードは、輝度変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、各制御値に対応する輝度変調ライトバルブの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
【００６２】
図９の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００３」がそれぞれ登録されている。これは、輝度変調ライトバルブに対して制御値「０」を入力すると、輝度変調ライトバルブの透過率が０．３％となることを示している。なお、図９には輝度変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には輝度変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。
【００６３】
図１０は、色変調ライトバルブに入力するための制御値を登録した制御値登録テーブル４２０Ｒのデータ構造の説明図である。制御値登録テーブル（ルックアップテーブル；LUT）４２０Ｒの各レコードは、図２の色変調ライトバルブ６０Ｒの制御値を登録したフィールドと、色変調ライトバルブ６０Ｒの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
【００６４】
図１０の例では、第１段目のレコードには、制御値として「０」が、透過率として「０．００４」がそれぞれ登録されている。これは、色変調ライトバルブに対して制御値「０」を入力すると、色変調ライトバルブの透過率が０．４％となることを示している。なお、図１０には色変調ライトバルブの階調数が４ビット（０〜１５値）である場合の例を示したが、実際には色変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が８ビットである場合は、２５６個のレコードが登録される。
また、図２の色変調ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇに対応する制御値登録テーブルのデータ構造については特に図示しないが、図１０の制御値登録テーブル４２０Ｒと同様のデータ構造を有している。ただし、同一の制御値に対して異なる透過率が登録されている場合もある。
【００６５】
［表示制御方法］
次に、上述したＨＤＲ画像データから各ライトバルブの制御値を生成して、プロジェクタを駆動する方法について説明する。
いま、ＨＤＲ画像データにおける画素ｐの輝度レベルをＲｐ、プロジェクタ全体における画素ｐに対応する領域の光変調率をＴｐ，輝度変調ライトバルブにおける画素ｐに対応する領域の透過率をＴ１、色変調ライトバルブにおける画素ｐに対応する領域の透過率をＴ２とすると、下式（１），（２）が成立する。
Ｒｐ ＝ Ｔｐ×Ｒｓ （１）
Ｔｐ ＝ Ｔ１×Ｔ２×Ｇ （２）
ただし、上式（１），（２）において、Ｒｓは光源の輝度、Ｇはゲインであり、いずれも定数である。
例えば、画素ｐの輝度レベルＲｐ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（1.2，5.4，2.3）、光源の輝度Ｒｓ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が（10000，10000，10000）であるとすると、画素ｐの光変調率Ｔｐは、（1.2，5.4，2.3）／（10000，10000，10000）＝（0.00012，0.00054，0.00023）となる。
【００６６】
図１１は、制御値の生成方法のフローチャートである。
まず、ステップＳ１００では、ＣＰＵ１７０が記憶装置１８２からＨＤＲ画像データを読み出す。
【００６７】
次いで、ステップＳ１０２に移行して、読み出したＨＤＲ画像データを解析し、画素値のヒストグラムや、輝度レベルの最大値、最小値及び平均値等を算出する。この解析結果は、暗めのシーンを明るくしたり、明るすぎるシーンを暗くしたり、中間部コントラストを協調するなどの自動画像補正に使用したり、トーンマッピングに使用したりするためである。
【００６８】
次いで、ステップＳ１０４に移行して、ステップＳ１０２の解析結果に基づいて、ＨＤＲ画像データの輝度レベルを、プロジェクタの輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングする。
図１２は、トーンマッピング処理の説明図である。ＨＤＲ画像データを解析した結果、ＨＤＲ画像データに含まれる輝度レベルの最小値がＳminで、最大値がＳmaxであるとする。また、プロジェクタの輝度ダイナミックレンジの最小値がＤminで、最大値がＤmaxであるとする。図１２の例では、ＳminがＤminよりも小さく、ＳmaxがＤmaxよりも大きいので、このままでは、ＨＤＲ画像データを適切に表示することができない。そこで、Ｓmin〜ＳmaxのヒストグラムがＤmin〜Ｄmaxのレンジに収まるように正規化する。
【００６９】
なお、トーンマッピングの詳細については、例えば、「F.Drago, K.Myszkowski，T.Annen，N.Chiba，"Adaptive Logarithmic Mapping For Displaying High Contrast Scenes"， Eurographics 2003，(2003）」に記載されている。
【００７０】
次いで、図１１のステップＳ１０６に移行して、色変調ライトバルブの解像度（画素数）に合わせてＨＤＲ画像をリサイズ（拡大または縮小）する。このとき、ＨＤＲ画像のアスペクト比を保持したままＨＤＲ画像をリサイズする。リサイズ方法としては、例えば、平均値法、中間値法、ニアレストネイバー法（最近傍法）が挙げられる。
【００７１】
次いで、ステップＳ１０８に移行して、リサイズ画像の各画素の輝度レベルＲｐ及び光源１０の輝度Ｒｓに基づいて、上式（１）により、リサイズ画像の各画素につき光変調率Ｔｐを算出する。
【００７２】
次いで、ステップＳ１１０に移行して、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２として、初期値（例えば、０．２）を仮決定する。
【００７３】
次いで、ステップＳ１１２に移行して、色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの領域につき透過率Ｔ１’を算出する。具体的には、ステップＳ１０８で算出した光変調率Ｔｐ、ステップＳ１１０で仮決定した透過率Ｔ２、及びゲインＧに基づいて、上式（２）により、当該領域の透過率Ｔ１’を算出する。ここで、色変調ライトバルブが３枚の液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒで構成されていることから、同一の領域につきＲＧＢ３原色ごとに透過率Ｔ１’を算出する。そして、輝度変調ライトバルブが１枚の液晶ライトバルブ１００で構成されていることから、ＲＧＢ３原色ごとに算出した透過率の平均値等をその領域の透過率Ｔ１’とする。
【００７４】
次いで、ステップＳ１１４に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素につき透過率Ｔ１を算出する。具体的には、ステップＳ１１２で算出した輝度変調ライトバルブの各領域の透過率Ｔ１’のうち、輝度変調ライトバルブの画素と重なり合う領域の透過率Ｔ１’の重み付け平均値を算出して、当該画素における透過率Ｔ１を求める。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。
【００７５】
次いで、ステップＳ１１６に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素につき、算出した透過率Ｔ１に対応する制御値を、図９に示す制御値登録テーブル４００から読み出す。制御値の読出しでは、算出した透過率Ｔ１に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４００の中から選出し、選出した透過率に対応する制御値を読み出す。この選出は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
【００７６】
次いで、図１１のステップＳ１１８に移行して、色変調ライトバルブの各画素につき透過率Ｔ２を算出する。具体的には、ステップＳ１１４で算出した輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１のうち、色変調ライトバルブの画素と光路上で重なり合う画素の透過率Ｔ１の重み付け平均値を算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。その上で、算出した透過率Ｔ１の平均値、ステップＳ１０８で算出した光変調率Ｔｐ及びゲインＧに基づいて、上式（２）により、当該画素の透過率Ｔ２を算出する。
【００７７】
次いで、ステップＳ１２０に移行して、色変調ライトバルブの各画素につき、算出した透過率Ｔ２に対応する制御値を、図１０に示す制御値登録テーブル４２０Ｒ等から読み出す。制御値の読出しでは、算出した透過率Ｔ２に最も近似する透過率を制御値登録テーブル４２０Ｒ等の中から選出し、選出した透過率に対応する制御値を読み出す。この選出は、例えば、２分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
【００７８】
次いで、図１１のステップＳ１２２に移行して、ステップＳ１１６，Ｓ１２０で決定した制御値をライトバルブ駆動装置に格納する。その後、ライトバルブ駆動装置が格納された制御値を各ライトバルブに出力してこれらを駆動する。
【００７９】
［制御値の生成方法］
次に、色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）及び輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）に入力する制御値の生成過程を、図１１〜図１６に基づいて説明する。
以下では、色変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ）は、横１８画素×縦１２画素の解像度及び４ビットの階調数を有し、輝度変調ライトバルブ（液晶ライトバルブ１００）は、横１５画素×縦１０画素の解像度及び４ビットの階調数を有する場合を例にとって説明を行う。また、色変調ライトバルブおよび輝度変調ライトバルブの図はいずれも光源１０の側から見たものである。
【００８０】
図１３は、色変調ライトバルブの透過率Ｔ２を仮決定する過程の説明図である。
ステップＳ１１０（図１１参照、以下同じ）では、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が仮決定される。色変調ライトバルブの左上４区画の画素をｐ２１（左上）、ｐ２２（右上）、ｐ２３（左下）、ｐ２４（右下）とした場合、画素ｐ２１〜ｐ２４の透過率Ｔ２には、図１３に示すように、初期値Ｔ２０が与えられる。
【００８１】
図１４は、色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの領域について、透過率Ｔ１’を算出する過程の説明図である。
ステップＳ１１２では、色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの領域について透過率Ｔ１’が算出される。色変調ライトバルブの画素ｐ２１〜ｐ２４に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの領域における透過率Ｔ１１〜Ｔ１４は、図１４に示すように、画素ｐ２１〜ｐ２４の光変調率をＴｐ１〜Ｔｐ４、ゲインＧを「１」とすれば、下式（３）〜（６）により算出することができる。
Ｔ１１ ＝ Ｔｐ１／Ｔ２０ （３）
Ｔ１２ ＝ Ｔｐ２／Ｔ２０ （４）
Ｔ１３ ＝ Ｔｐ３／Ｔ２０ （５）
Ｔ１４ ＝ Ｔｐ４／Ｔ２０ （６）
【００８２】
例えば、Ｔｐ１＝0.00012、Ｔｐ２＝0.05、Ｔｐ３＝0.02、Ｔｐ４＝0.01、Ｔ２０＝0.1である場合には、上式（３）〜（６）により、Ｔ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.1となる。
【００８３】
図１５は、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１を決定する過程の説明図である。
ステップＳ１１４では、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ１が決定される。輝度変調ライトバルブと色変調ライトバルブとは、リレーレンズ系９０によって互いに倒立結像する関係にあるので、色変調パネルの左上４区画の画素は輝度変調ライトバルブの右下部に結像される。そこで、図１５（ａ）に示すように、輝度変調ライトバルブの右下４区画の画素をｐ１１（右下）、ｐ１２（左下）、ｐ１３（右上）、ｐ１４（左上）とする。ここで、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブとは解像度が異なることから、画素ｐ１１は画素ｐ２１〜画素ｐ２４（図１４参照）と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、各ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて、図１５（ｂ）に示すように画素ｐ１１は６×６の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ１１が画素ｐ２１〜ｐ２４とそれぞれ重なり合う面積比は、２５：５：５：１となる。したがって、画素ｐ１１の透過率Ｔ１５は、下式（７）により算出することができる。
Ｔ１５＝（Ｔ１１×２５＋Ｔ１２×５＋Ｔ１３×５＋Ｔ１４×１）／３６ （７）
【００８４】
例えば、Ｔ１１＝0.0012、Ｔ１２＝0.5、Ｔ１３＝0.2、Ｔ１４＝0.002である場合は、上式（７）により、Ｔ１５＝0.1008となる。
図１５（ｃ）に示す画素ｐ１２〜ｐ１４の透過率Ｔ１６〜Ｔ１８についても、画素ｐ１１と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
【００８５】
次いで、図１１のステップＳ１１６では、輝度変調ライトバルブの画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ１に対応する制御値が、図９に示す制御値登録テーブル４００から読み出される。例えば、Ｔ１５＝0.1008であるので、制御値登録テーブル４００を参照すると、0.09が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４００からは、画素ｐ１１の制御値として「８」が読み出される。
【００８６】
図１６は、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２を決定する過程の説明図である。
ステップＳ１１８では、色変調ライトバルブの各画素の透過率Ｔ２が決定される。上述したように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブとは解像度が異なることから、図１６（ａ）に示すように、画素ｐ２４は画素ｐ１１〜画素ｐ１４（図１５参照）と光路上で重なり合う。また、色変調ライトバルブの解像度が１８×１２で、輝度変調ライトバルブの解像度が１５×１０であるので、輝度変調ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて、図１６（ｂ）に示すように画素ｐ２４は５×５の矩形領域に区分することができる。そして、画素ｐ２４が画素ｐ１１〜ｐ１４とそれぞれ重なり合う面積比は、１：４：４：１６となる。したがって、画素ｐ２４に対応する輝度変調ライトバルブの透過率Ｔ１９は、画素ｐ１１〜ｐ１４の透過率の重み付け平均値として、下式（８）により算出することができる。
Ｔ１９＝（Ｔ１５×１＋Ｔ１６×４＋Ｔ１７×４＋Ｔ１８×１６）／２５ （８）
そして、画素ｐ２４の透過率Ｔ２４は、ゲインＧを「１」として、下式（９）により算出することができる。
Ｔ２４＝Ｔｐ４／Ｔ１９ （９）
【００８７】
例えば、Ｔ１５＝0.09、Ｔ１６＝0.33、Ｔ１７＝0.15、Ｔ１８＝0.06、Ｔｐ４＝0.01である場合は、上式（８），（９）により、Ｔ１９＝0.1188、Ｔ２４＝0.0842となる。
図１６（ｃ）に示す画素ｐ２１〜ｐ２３の透過率Ｔ２１〜Ｔ２３についても、画素ｐ２４と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
【００８８】
次いで、図１１のステップＳ１２０では、色変調ライトバルブの画素ごとに、その画素について算出された透過率Ｔ２に対応する制御値が、図１０に示す制御値登録テーブル４２０Ｒ等から読み出される。例えば、液晶ライトバルブ６０Ｒの画素ｐ２４についてＴ２４＝0.0842である場合、制御値登録テーブル４２０Ｒを参照すると、0.07が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル４２０Ｒからは、画素ｐ２４の制御値として「７」が読み出される。
【００８９】
そして、ステップＳ１２２において、ステップＳ１１６，Ｓ１２０で決定された制御値をライトバルブ駆動装置に格納する。その後、ライトバルブ駆動装置が格納された制御値を各ライトバルブに入力して、光変調および輝度変調を行うことによりプロジェクタを駆動する。
【００９０】
［その他の変形例］
上記実施形態では、３板式のプロジェクタを例にして説明したが、単板式のプロジェクタに本発明を適用することも可能である。この単板式のプロジェクタは、光源、均一照明系、第１光変調素子、リレーレンズ系、第２光変調素子および投射レンズを主として構成され、光源として白色光源を採用した場合には、第１光変調素子または第２光変調素子としての液晶ライトバルブにカラーフィルタが配設される。
【００９１】
また、上記実施形態では、投射型表示装置を例にして説明したが、直視型表示装置に本発明を適用することも可能である。この直視型表示装置では、第２変調素子上で変調された画像光を直接見ることとなる。直視型表示装置は、明るい場所での鑑賞に適するという利点がある。
【００９２】
また、上記実施形態では、色変調ライトバルブで色変調された光に対し、輝度変調ライトバルブにて輝度変調を行うように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブで輝度変調された光に対し、色変調ライトバルブにて色変調を行うように構成することもできる。また、輝度変調ライトバルブ及び色変調ライトバルブを用いて光の輝度を２段階に変調するように構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを２セット用いて光の輝度を２段階に変調するように構成することもできる。
【００９３】
また、上記実施形態では、光源１０として白色光を射出する単体の光源を用い、この白色光をＲＧＢの３原色の光に分光するようにしているが、これに限らず、ＲＧＢの３原色にそれぞれ対応した、赤色の光を射出する光源、青色の光を射出する光源及び緑色の光を射出する光源の３つの光源を用い、白色光を分光する手段を取り除いた構成としても良い。
【００９４】
また、上記実施形態では、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００としてアクティブマトリックス型の液晶表示素子を用いて構成したが、これに限らず、液晶ライトバルブ６０Ｂ，６０Ｇ，６０Ｒ、１００としてパッシブマトリックス型の液晶表示素子及びセグメント型の液晶表示素子を用いて構成することもできる。アクティブマトリックス型の液晶表示は、精密な階調表示ができるという利点があり、パッシブマトリックス型の液晶表示素子及びセグメント型の液晶表示素子は、安価に製造できるという利点を有する。
【００９５】
また、上記実施形態では、輝度変調ライトバルブまたは色変調ライトバルブを透過型の光変調素子である液晶パネルによって構成したが、これに限らず、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の反射型の光変調素子で構成することもできる。
【００９６】
また、リレーレンズ系と輝度変調ライトバルブとの間に、光の偏光状態を補償する偏光補償光学系を配設してもよい。偏光補償光学系としては、偏光補償機能を有する誘電体膜や、レクチファイアを用いた構成を採用することができる。
【００９７】
また、上記各実施の形態において、図１１のフローチャートに示す処理を実行するにあたっては、ＲＯＭ１７２にあらかじめ格納されている制御プログラムを実行する場合について説明したが、これに限らず、これらの手順を示したプログラムが記憶された記憶媒体から、そのプログラムをＲＡＭ１７４に読み込んで実行するようにしてもよい。
【００９８】
ここで、記憶媒体とは、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体記憶媒体、ＦＤ、ＨＤ等の磁気記憶型記憶媒体、ＣＤ、ＣＤＶ、ＬＤ、ＤＶＤ等の光学的読取方式記憶媒体、ＭＯ等の磁気記憶型／光学的読取方式記憶媒体であって、電子的、磁気的、光学的等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体であれば、あらゆる記憶媒体を含むものである。
【００９９】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明に係る画像表示装置（プロジェクタ）の側面図である。
【図２】本発明に係る画像表示装置（プロジェクタ）の平面断面図である。
【図３】実施形態のリレーレンズ系の構成を示す側面図である。
【図４】テレセントリック性の説明図である。
【図５】偏光ビームスプリッタを採用したリレーレンズ系の側面図である。
【図６】反射プリズムを採用したリレーレンズ系の側面図である。
【図７】リレーレンズ系に１個の反射光学素子を採用した場合のプロジェクタの平面図である。
【図８】表示制御装置のハードウエア構成を示すブロック図である。
【図９】輝度変調ライトバルブの制御値登録テーブルのデータ構造図である。
【図１０】色変調ライトバルブの制御値登録テーブルのデータ構造図である。
【図１１】制御値の生成方法のフローチャートである。
【図１２】トーンマッピング処理の説明図である。
【図１３】色変調ライトバルブの透過率を仮決定する場合の説明図である。
【図１４】色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの各領域の透過率を算出する場合の説明図である。
【図１５】輝度変調ライトバルブの各画素の透過率を決定する場合の説明図である。
【図１６】色変調ライトバルブの各画素の透過率を決定する場合の説明図である。
【図１７】本願発明者らが開発したプロジェクタの平面図である。
【図１８】従来のリレーレンズ系の説明図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０‥光源 ６０Ｇ‥色変調ライトバルブ ９０‥リレーレンズ系 ９４，９６‥反射光学素子 １００‥輝度変調ライトバルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記光源からの光を変調する第１光変調素子と、
前記第１光変調素子からの光を変調する第２光変調素子と、
前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配され、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像するリレーレンズ系と、
前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズの間に配置された少なくとも１個の反射光学素子と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記リレーレンズ系は、前記第１光変調素子から入射した光の進行方向を、前記反射光学素子により反転させて、前記第２光変調素子に出射することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記リレーレンズ系は、両側テレセントリック性を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記反射光学素子は、前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズのうち前記反射光学素子の前段レンズ群と前記反射光学素子の後段レンズ群とが、対称となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記反射光学素子は、反射型偏光子であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記反射光学素子は、ワイヤグリッド型偏光フィルタであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記反射光学素子は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記反射光学素子は、反射プリズムのプリズム面に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の画像表示装置と、
投射手段と、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項１】
表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記光源からの光を変調する第１光変調素子と、
前記第１光変調素子からの光を変調する第２光変調素子と、
前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間に配され、前記第１光変調素子の光学像を前記第２光変調素子の受光面に結像するリレーレンズ系と、
前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズの間に配置された少なくとも１個の反射光学素子と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記リレーレンズ系は、前記第１光変調素子から入射した光の進行方向を、前記反射光学素子により反転させて、前記第２光変調素子に出射することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記リレーレンズ系は、両側テレセントリック性を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記反射光学素子は、前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズのうち前記反射光学素子の前段レンズ群と前記反射光学素子の後段レンズ群とが、対称となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記反射光学素子は、反射型偏光子であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記反射光学素子は、ワイヤグリッド型偏光フィルタであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記反射光学素子は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記反射光学素子は、反射プリズムのプリズム面に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の画像表示装置と、
投射手段と、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００６−３８９９４（Ｐ２００６−３８９９４Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１５３９７（Ｐ２００４−２１５３９７）
【出願日】平成１６年７月２３日（２００４．７．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２３日（２００４．７．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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